Lagos, reservatórios e a rede de drenagem são importantes compartimentos na ciclagem global do carbono, atuando como relevantes reguladores dos fluxos entre o ambiente terrestre e os oceanos. Dependendo de características específicas de cada sistema, como morfologia, estado trófico e conectividade com a bacia de drenagem, esses sistemas podem operar como fontes ou sumidouros de CO2 e/ou CH4 em diferentes escalas de tempo e espaço. Os sistemas subtropicais são amplamente distribuídos e caracterizados por relevantes peculiaridades devido à marcante variabilidade sazonal da temperatura e precipitação, porém ainda são fortemente subrepresentados na literatura sobre CO2 e CH4 em águas naturais. Incertas também são as possíveis alterações de longo prazo no metabolismo e fluxos de gases de carbono em um cenário de mudanças climáticas. Na presente tese, o objetivo foi avaliar a relação entre a pressão parcial de CO2 (pCO2) e CH4 (pCH4) e fluxos na interface (difusão e ebulição) com potenciais fatores direcionadores em sistemas subtropicais (estratificação vertical, estado trófico, lançamentos de esgotos, carbono orgânico, hidrologia superficial e subterrânea, pluviosidade e temperatura). Além disso, a tese procurou estimar os impactos nos fluxos internos e na interface ar-água de carbono devido às mudanças climáticas previstas por modelos atmosféricos. O delineamento da tese incluiu coletas em sistemas subtropicais com distintas morfologias e estados tróficos, focando na variabilidade espacial e temporal de CO2 e CH4. Experimentos numéricos através de um modelo matemático bidimensional baseado em processos foram conduzidos para contribuir ao entendimento dos fluxos de carbono e avaliar os efeitos dos cenários de mudanças climáticas. Um resultado consistente foi a persistência da supersaturação de CO2 com significativa heterogeneidade espacial na bacia do arroio Capivara, caracterizada por um forte gradiente de uso e ocupação do solo. No trecho rural, a supersaturação pode estar associada principalmente à contribuição de CO2 no fluxo subterrâneo. No trecho urbano, ocorre um significativo incremento na pCO2 e FCO2, em razão do subsídio de carbono orgânico de lançamentos brutos de esgotos domésticos. A alcalinidade autóctone gerada por processos anaeróbicos ou alóctone oriunda dos despejos de esgotos pode também contribuir para a geração de CO2 no trecho urbano. Os estudos realizados em um reservatório eutrófico e profundo mostraram uma forte dependência da morfologia do sistema e sazonalidade da temperatura sobre os fluxos difusivos e ebulitivos de CO2 e CH4. O reservatório comportou-se como um sumidouro do CO2 atmosférico, ainda que com uma tendência para operar na heterotrofia durante os períodos mais frios e nos pontos mais rasos. O sistema comporta-se esporadicamente como uma fonte de metano por difusão nos pontos mais rasos, possivelmente devido aos processos de metanotrofia na camada oxigenada do reservatório nos pontos mais profundos. Os fluxos ebulitivos, possivelmente associados ao carbono orgânico autóctone, foram controlados pela profundidade e sazonalidade da temperatura. Considerando a idade do reservatório, os fluxos médios por bolhas são compatíveis com projeções empíricas disponíveis. O elevado tempo de residência do reservatório pode contribuir para a acumulação de matéria orgânica no sistema e, assim, atuar positivamente sobre os fluxos de carbono na interface ar-água observados. Ao longo de um período de 10 anos, a pCO2 apresentou intenso dinamismo na lagoa Mangueira, comportando-se como fonte e sumidouro de CO2 em diferentes escalas temporais e espaciais. A ação dos ventos sobre a superfície parecer ser o principal regulador pCO2, podendo atuar tanto na injeção de CO2 para o lago, como na degaseificação e mistura do sistema, atenuando assim variações locais de pCO2, principalmente, aquelas observadas no monitoramento intensivo e reproduzidas por modelagem matemática entre as zonas litorâneas (mais rasas) e pelágica (mais profunda). Além disso, indícios sugerem que o fluxo de água subterrânea rico em CO2 e os sedimentos ricos em carbonatos podem ser relevantes fatores direcionadores do pCO2 em lagos rasos, sustentando os fluxos na interface ar-água. Segundo os experimentos numéricos realizados, os cenários de mudanças climáticas também podem influenciar positivamente tanto o comportamento autotrófico durante o verão, antecipando a depleção de CO2 na transição primavera verão, quanto o comportamento heterotrófico nos meses mais frios, devido ao favorecimento dos processos de conversão de carbono pela elevação da temperatura e maior incremento de CO2 da atmosfera. Como conclusão, a presente tese disponibiliza fortes indícios de que sistemas subtropicais mantêm um elevado e variável desequilíbrio de CO2 e CH4, indicando que a variabilidade espacial e temporal dos fluxos de CO2 e CH4 deve ser levada em conta nas estimativas globais e locais. Além disso, os sistemas devem ser estudados separadamente, pois possuem particularidades que resultam em imensas diferenças nos fluxos de CO2 e CH4 na interface, mesmo situados em uma mesma zona climática. Esta tese demonstra que o uso integrado de dados de campo com modelos matemáticos complexos representa uma potente linha metodológica para não somente estudo sobre balanço de carbono, mas também de uma maneira geral em limnologia, capaz de integrar informações de campo discretas para serem utilizadas na previsão de cenários. / Lakes, freshwater reservoirs and streams are important compartments in global carbon cycling, acting as relevant regulators of carbon fluxes between the terrestrial environment and oceans. Depending on the specific characteristics of each system, such as morphology, trophic status and watershed connectivity, these systems can operate as sources or sinks of CO2 and CH4 to the atmosphere at different time and space scale. The subtropical systems are widely distributed and characterized by relevant peculiarities due to the strong seasonal variability in temperature and precipitation, but are still subrepresented in literature on regarding CO2 and CH4 fluxes in natural waters. Besides that, there is a special gap on how climate change can affects the lakes metabolism and gas fluxes in long term. In this thesis, the aim was to evaluate the relationship between the partial pressure of CO2 (pCO2) and CH4 (pCH4) and fluxes at the air-water interface (diffusion and ebullition), and the potential drivers in subtropical lake systems (vertical stratification, trophic state, wastewater discharges, organic carbon, surface and groundwater hydrology, rainfall and temperature). Moreover, the thesis assessed the impacts on carbon fluxes due to climate changes scenarios predicted by atmospheric models. The thesis is based on monitoring of different subtropical systems respect to morphology and trophic state, which focused on spatial and temporal variability of CO2 and CH4. Numerical experiments using a two-dimensional mathematical based-process model were conducted to contribute to the understanding of carbon fluxes and evaluate the effects of climate change scenarios. A consistent finding was the persistence supersaturation of CO2 with relevant spatial heterogeneity along the Capivara stream, which is characterized by a strong use and cover soil gradient. Within non-developed basin (upper Capivara), supersaturation may be mainly associated to the contribution of CO2 in the groundwater flow. Along the develop basin, occurs a significant increase in pCO2 and FCO2 due to the high availability of organic carbon in the wastewater discharges. The alkalinity autochthonous, generated by anaerobic processes, allochthonous in the sewage might also contribute to the CO2 generation within lower Capivara. The investigation carried out in an eutrophic and deep reservoir showed a strong dependence of ebulitivos and diffusive fluxes of CO2 and CH4 on morphology and seasonality of temperature. The reservoir behaved as a sink of CO2 atmospheric, although with a tendency to operate as an heterotrophic system during colder periods and in littoral zones. The system behaves as a sporadic source of methane for diffusion in shallow zones, possibly due to the methanotrophic processes through the oxic layer, mainly, at the deepest stations. The ebulitivos fluxes, possibly associated with autochthonous organic carbon, were controlled by the depth and temperature seasonality. Considering the age of the reservoir, the average fluxes by bubbling were consistent to the empirical estimates. The high residence time of the Faxinal reservoir can contribute to the accumulation of organic matter in the system and thus act positively to the carbon fluxes observed at the air-water interface. Over the period of 10 years, pCO2 showed intense dynamism in Lake Mangueira, behaving as a source as a sink of CO2 at different temporal and spatial scales. The action of wind on the surface appear to be the main regulator of pCO2, and can operate in both injection into the lake and in degassing of CO2, thus reducing local variations in pCO2, especially those observed with intensive monitoring and reproduced by the model between littoral (shallow) and pelagic (deeper) zones. Moreover, evidence suggests that the input of groundwater rich in CO2 from the soil and sediments rich in carbonate may be relevant drivers of pCO2 in shallow lakes, supporting the fluxes at the air-water interface. According to the numerical experiments, the climate change scenarios may positively influence both the autotrophic metabolism during the summer, anticipating the depletion of CO2 in the spring transition, and heterotrophic metabolism in the colder months due to the increase of conversion processes carbon by elevated temperature and higher increase of CO2 from the atmosphere. Thus, Lake Mangueira can experiment a higher seasonal amplitude in partial pressure of CO2. Subtropical lakes with lower buffer capacity and not limited by nutrients might experiment strong sazonal variation in pH, trending to acidiphication in the winter, and hard water combined with eutrophication in the summer. In conclusion, this thesis provides strong evidence that subtropical systems maintain a high and variable unbalance of CO2 and CH4, indicating that the spatial and temporal variability of the CO2 and CH4 fluxes should be taken into account in the global and local balances. Furthermore, the systems must be studied separately because they have characteristics that result in huge differences in the CO2 and CH4 fluxes at the air-water interface, despite of situated in the same climatic zone. This thesis demonstrates that the integration of data field and complex mathematical models is a powerful methodological approach not just on carbon balance studies, but also, in general, in limnology, which is able to integrate discrete monitoring to be further used in forecasting scenarios.

O impacto dos sistemas de manejo no comportamento de solos agrícolas como fonte ou dreno de gases de efeito estufa (GEE) é dependente dos sistemas de cultura adotados. O presente estudo foi conduzido, por dois anos (2010/2011 e 2011/2012), em dois experimentos de longa duração (28 e 30 anos) em Argissolo Vermelho e teve como objetivos: (i) avaliar efeito de plantas de cobertura de solo de inverno e de verão e dos sistemas de preparo convencional (PC) e plantio direto (PD) na emissão de óxido nitroso (N2O) e no balanço das emissões de GEE do solo, e (ii) identificar as variáveis meteorológicas e de solo controladoras dos fluxos de N2O do solo. O solo em PD apresentou as menores emissões de N2O em comparação ao PC nos dois anos agrícolas, enquanto as maiores emissões foram verificadas nos sistemas com presença de leguminosas de cobertura de solo. As emissões de CH4 foram baixas (< 10 Kg C equivalente.ha-1) em todos os sistemas de manejo, sendo sua magnitude praticamente desprezível no balanço de GEE. As emissões de N2O foram completamente contrabalanceadas pelo acúmulo de C no solo nos sistemas com leguminosas de cobertura, tornando o solo inclusive um sumidouro de GEE. O aumento exponencial dos fluxos de N2O do solo em valores de porosidade preenchida por água (PPA) superiores a 60-70% indicam que a desnitrificação é o principal processo responsável pela produção de N2O no solo. Por sua vez, esse comportamento foi mais característico nos sistemas que incluíam leguminosas de cobertura de solo, as quais determinaram um suprimento de N mineral para a desnitrificação através da decomposição da sua fitomassa rica em N. Os resultados obtidos indicam que a inclusão de leguminosas de cobertura de solo determinam um balanço positivo entre as emissões de N2O do solo e as taxas de retenção de C atmosférico no solo, permitindo produzir alimentos com menor impacto ambiental. / The impact of management systems in the behavior of agricultural soils as a source or sink of greenhouse gases (GHG) is dependent on the adopted crop systems. This study was conducted for two years (2010/2011 and 2011/2012), in two long-term experiments (28 and 30 yr) in an Acrisol and aimed to (i) evaluate the effect of winter and summer cover crops on N2O and CH4 emissions and GHG balance in no-till and conventionally-tilled soils, and (ii) to identify meteorological and soil variables controlling soil N2O fluxes. The soil under no-till had the lowest emissions of N2O compared to the conventional tillage, with the largest N2O emissions in cropping systems based on legume cover crops. The soil CH4 emissions were low (<10 kg C equivalent ha-1) in all soil management systems, and its magnitude was negligible for the GHG balance. The N2O emissions were completely counterbalanced by the C accumulation in the soil under the cover crops-based cropping systems, making the soil a GHG sink. The exponential increase of the soil N2O fluxes when water filled porosity space (WFPS) was higher than 60-70%, suggest denitrification as the major process involved in soil N2O production. In turn, this behavior was more characteristic in legume-based cover crops systems, which determined a mineral N supply to the denitrification through the decomposition of its N-rich biomass. The results indicate that the inclusion of legume cover crops determine a positive balance between the emissions of N2O and C atmospheric retention rates in the soil, allowing to produce food with less environmental impact.

A lavoura arrozeira é uma importante fonte de metano (CH4) no Rio Grande do Sul (RS), estado no qual a área cultivada desse cereal supera um milhão de hectares, com predomínio do sistema irrigado por inundação contínua. Diversos fatores controlam as emissões de CH4 e óxido nitroso (N2O) neste sistema de produção, dentre os quais se destacam as características de solo e de clima bem como, práticas de manejo adotadas na lavoura. Neste estudo, teve-se por objetivo: (a) determinar fatores de emissão de CH4 para diferentes regiões produtoras de arroz irrigado no Rio Grande do Sul e sua relação com características de solo e de clima; (b) avaliar o potencial de mitigação das emissões de CH4 e N2O do solo pela adoção de sistemas intermitentes de irrigação; e (c) avaliar o impacto da introdução de soja e milho nas emissões de CH4 e N2O em solos de terras baixas. Condições edafoclimáticas distintas provocaram diferenças nas emissões de CH4 nas lavouras de arroz irrigado avaliadas; observou-se que o fator de emissão de CH4 preconizado pelo IPCC (Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas) é um pouco inferior (18%) do que o valor médio determinado para cinco localidades no Rio Grande do Sul. Por outro lado, a adoção de sistemas intermitentes de irrigação mostrou-se uma estratégia eficiente para redução do potencial de aquecimento global parcial (PAGp) e da emissão de gases de efeito estufa por unidade de grão produzido. O impacto da intermitência da irrigação bem como do cultivo de culturas de sequeiro (soja e milho) na redução das emissões de CH4 sobrepuseram o aumento das emissões de N2O do solo, ambos com impacto favorável nas emissões por unidade de grão ou energia bruta produzida. Estudo conduzido no Japão demonstrou que o sistema de irrigação intermitente tem potencial similar em reduzir as emissões em condições distintas de solo e de clima, da mesma natureza ao que se verificou nas cinco localidades no Brasil. Parâmetros eletroquímicos da solução do solo, avaliados no Brasil e no Japão, apresentaram dinâmica similar de acordo com os sistemas de irrigação adotados. Porém, os efeitos nas alterações dessas variáveis foram mais facilmente observados no Japão. Tendo em vista os resultados obtidos, é importante considerar estas questões em regiões com grandes áreas destinadas à produção de grãos desta cultura, como é o caso do Sul do Brasil e de países asiáticos, pois pode viabilizar a mitigação das emissões de GEE nestes agroecossistemas. / The rice paddy fields is an important methane (CH4) source in Rio Grande do Sul (RS), state that rice area cultivated exceeds one million hectare, with a predominance of continuous flooding irrigation system. Several factors control CH4 and nitrous oxide (N2O) emissions in this production system, among which stand out soil and climate characteristics as well, management practices in the field. In this study objectives were: (a) determine CH4 emission factors from rice paddy fields in the different sites of Rio Grande do Sul state, and its relationship with soil and climate characteristics; (b) evaluate potential of irrigation management in rice paddy fields on mitigate CH4 and N2O emissions; (c) evaluate the introduction of soybean and maize crops in CH4 and N2O emissions in lowland soils. Different soil and climatic conditions resulted differences in CH4 emission factor; was observed that factor emission recommended by IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) is lower (18%) than the average value determined in five sites and two seasons in RS. On the other hand, the adoption of intermittent irrigation systems to show be an effective strategy for reducing the partial global warming potential (pGWP) and the greenhouse gas emissions (GHG) emission per grain unit produced. The impact of intermittent irrigation and the rainfed crop cultivation (soybean and corn) in reducing CH4 emissions was higher than increase on N2O emissions of soil, both with favorable impact on emissions by grain unit or gross energy produced. Study conducted in Japan showed that intermittent irrigation system has similar potential to reduce GHG emissions under different soil and climate conditions, the same way that was found in five sites in Brazil. Electrochemical parameters of soil solution, evaluated in Brazil and Japan, had similar dynamic in accordance with the irrigation systems adopted. However, effects on changes in these variables were more easily observed in Japan. Considering results obtained, it is important to consider these issues in sites with large rice areas production, such as the South of Brazil and Asian countries because it may enable the mitigation of GHG emissions in these agroecosystems.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade, Departamento de Economia, 2014. / Submitted by Ana Cristina Barbosa da Silva (annabds@hotmail.com) on 2014-12-18T13:33:01Z No. of bitstreams: 1 2014_BrenoSimoniniTeixeira.pdf: 2145964 bytes, checksum: a49f755a05992b8a546b6e290d97f175 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-12-18T13:33:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_BrenoSimoniniTeixeira.pdf: 2145964 bytes, checksum: a49f755a05992b8a546b6e290d97f175 (MD5) / Esta dissertação aborda a incorporação da energia elétrica resultante do processo de cogeração que utiliza o bagaço de cana como combustível. Este processo, desenvolvido ao longo da década de 1980 e aperfeiçoado nas décadas seguintes, permitiu que a bioeletricidade oriunda da queima do bagaço consistisse em uma das principais fontes renováveis de eletricidade em um contexto de crescente restrição da capacidade de regularização dos reservatórios de hidrelétricas e de concomitante aumento da dependência em fontes térmicas. Entretanto, verifica-se que considerável parcela desta bioenergia não é incorporada ao Sistema Interligado Nacional por dois motivos de naturezas distintas, um de cunho tecnológico, representado pela baixa eficiência operacional do parque de usinas sucroalcooleiras, e outro de natureza normativa, dada a reduzida capacidade de os leilões de energia incorporarem a bioeletricidade do bagaço no Sistema Elétrico Brasileiro. Os resultados da integração destes aspectos tecnológicos e normativos permitem concluir que é possível tanto incrementar a oferta destabioeletricidade por meio da elevação da eficiência de geração, quanto majorar sua contribuição à oferta de energia elétrica por meio de alterações nos referidos leilões. Em vista da necessidade do atendimento da demanda de eletricidade, o incremento da geraçãode eletricidade a partir da cogeração a bagaço de cana ocuparia lugar que vem sendo reservado a fontes de energia mais onerosas do ponto de vista ambiental, em termos de emissão de gases de efeito estufa (GEE). Ademais, o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo da Convenção do Clima (UNFCCC) certifica reduções de emissões de GEE na medida em que reconhece a contribuição da geração de energia oriunda da cogeração a bagaço de cana para a mitigação das mudanças do clima, o que elevou o custo de oportunidade da subutilização desta biomassa na geração elétrica. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This work accesses the insertion of sugarcane bio-electricity into the Brazilian power grid. This mechanism of power generation dates back to the 1980’s and has had its technology enhanced along the following decades, having allowed this source of electricity become one of the main sources of renewable in a context of growing restrictions suffered by hydropower plants reservoirs and concomitant dependency increase on thermal power. A significant share of the potential bioenergy from sugar cane is not incorporated to the National Integrated System (SIN), either because of operational or institutional reasons, the first due to low efficiency operating plants and the latter resulting from reduced capacity of the energy auctions to incorporate this bioelectricity to the grid. The results of the integration of these aspects have led to the conclusion that it is possible to increase both the supply of this bio-energy - through the improvement of equipment - and its share of electric supply -through some changes in the energy auctions. The increase of this renewable energy would replace power generation from fossil fuel sources, which incur in a heavier burden to the society as a whole in terms of economic and environmental costs, the latter based on greenhouse gases emissions. Moreover, the Clean Development Mechanism of the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) issues carbon credits in order to certify this bio-electricity’s contribution to the mitigation of climate change, which has increased the cost of opportunity of the underutilization of this biomass for power generation.

O aumento das emissões dos gases de efeito estufa (GEE) configura atualmente como um dos principais problemas ambientais, o que pode afetar significativamente as atividades humanas e os ecossistemas terrestres. Um dos principais GEE é o CO₂, o qual tem sido emitido indiscriminadamente em função do estilo de vida atual, contribuído nas mudanças climáticas de origem antropogênicas, associado principalmente ao aumento da poluição, queimadas, desmatamento, ilhas de calor e agricultura. Neste contexto, o objetivo da pesquisa foi estudar a relação entre o comportamento espectral da cultura de soja ao longo de seu ciclo de desenvolvimento, utilizando imagens NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), e os fluxos de CO₂, calculados pelo método de covariância de vórtices (eddy covariance), gerando informações e metodologia para investigar as trocas de carbono em uma área de cultivo de soja no Estado do Rio Grande do Sul. O estudo foi elaborado em experimento situado na fundação privada de pesquisa agropecuária (FUNDACEP), durante a safra de 2008/2009. Para isso, utilizou-se cinco imagens do satélite Landsat 5 (TM), órbita/ponto 223/080, e dados coletados em estação micrometeorológica (técnica de covariância de vórtices turbulentos) ao longo do ciclo de desenvolvimento da soja. Os resultados mostraram que o comportamento do fluxo de CO₂ ao longo do dia é cíclico, onde no período diurno apresenta valores negativos (captura) e no período noturno, positivos (liberação). Considerando todo o ciclo de crescimento da cultura, a lavoura de soja funciona como seqüestradora de CO₂ atmosférico. A radiação fotossinteticamente ativa determina a magnitude do aprisionamento de CO₂ pela cultura da soja, mas o fluxo é modulado pelo estádio fenológico da cultura. A atividade fotossintética das plantas de soja é maior durante o estádio vegetativo, quando coincide a maior incidência de radiação solar e o maior aparato fotossintético. O NDVI, obtido de imagens Landsat, é um indicador da evolução da biomassa da soja ao longo do ciclo; apresenta baixos valores no início do ciclo, cresce gradualmente até um máximo de biomassa e decresce com o término do ciclo da cultura. Existe correlação entre o NDVI e os fluxos negativos de CO₂ (captura), ocorridos no período diurno. Portanto, técnicas de sensoriamento remoto demonstram potencialidade na geração de informações úteis sobre as trocas de CO2 entre a superfície e a atmosfera. Recomenda-se o seguimento das pesquisas nesta área, buscando através do uso de imagens de satélite mapear as trocas de CO2 entre a superfície e o ar. Para tanto, é necessário acumular um banco de dados maior de imagens coincidentes com medições em superfície sobre diferentes tipos de culturas e em diversas épocas do ano. / The increase in emissions of the greenhouse gases (GHG) is today one of the main environmental problems, which can significantly affect human activities and land ecosystems. One of the main GHG is CO₂, which has been emitted indiscriminately due to the current lifestyle. This gas contributes in the climate changes that have anthropogenic origin. They are mainly associated with the increase of pollution, fires, deforestation, agriculture and heat islands. In this context, the object of this investigation was to study the relationship between the spectral reaction of soybean cultivation along its development cycle, using images NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), and the fluxes of CO₂ calculated by the eddy covariance method, generating information and methodology to investigate the carbon exchange in an area of soybean cultivation in the State of Rio Grande do Sul. The study was developed from an experiment located on private agricultural research foundation (FUNDACEP) during the harvest 2008/2009. For this were used five satellite images of Landsat 5 (TM), orbit/point 223/080, and data collected from micrometeorological station (technique of eddy covariance) throughout the development cycle of soybean. The results showed that the flow of response of CO₂ during the day was cyclical, which in the daytime shows negative values (capture) and at the night, positive (liberation). Considering the whole cycle of soybean growth, it works as scavenging of atmospheric CO₂. The photosynthetically active radiation determines the magnitude of the trapping of CO₂ by soybean, but the flow is modulated by the fenológico stage of the culture. The photosynthetic activity of soybean plants is higher during the vegetative stage, when coincide the higher incidence of solar radiation and the greater photosynthetic apparatus. The NDVI, obtained from Landsat images, is an indicator of the evolution of the biomass of soybean during the cycle; shows lower values at the beginning of the cycle, gradually grows to a maximum of biomass and decreases with the end of the soybean cycle. There is a correlation between NDVI and negative flows of CO₂ (capture), which occurred during the day. Therefore, remote sensing techniques show potentiality in the generation of useful information on CO₂ exchange between the surface and atmosphere. It is recommended to fallow up researches in this area, searching through the use of satellite images to map the exchanges of CO₂ between the surface and the air. Thus, it is necessary to accumulate a large database of images coincident with surface measurements on different types of cultures at different time of the year.

Sistemas conservacionistas de manejo do solo podem representar uma importante estratégia mitigadora das emissões de gases de efeito estufa (GEE) do solo. A presente pesquisa foi realizada em experimento de longa duração (24 anos) em Argissolo Vermelho, e teve como objetivo avaliar o potencial de sistemas conservacionistas de manejo de solo em mitigar as emissões de GEE sob as condições de clima subtropical da Depressão Central do Rio Grande do Sul. Emissões de óxido nitroso (N2O) e metano (CH4) foram avaliadas em sistemas de preparo do solo (convencional-PC e plantio direto-PD) e de cultura (aveia/milho e ervilhaca/milho) no período pós-manejo das plantas de cobertura de inverno (2009/10 e 2010/11) e no período de um ano agrícola (2009/10). Amostras de ar foram coletadas utilizando o método da câmara estática, e a concentração dos gases analisada por cromatografia gasosa. Os teores de nitrogênio (N) mineral e carbono orgânico dissolvido (COD), atividade biológica, temperatura e umidade do solo foram monitorados durante o período de avaliação. O potencial de aquecimento global (PAG) dos sistemas de manejo no ano agrícola 2009/10 foi calculado considerando as emissões de N2O e CH4, a taxa de retenção de carbono (C) no solo e os custos em C-CO2 das atividades e insumos agrícolas. As emissões de N2O do solo no período pósmanejo das plantas de cobertura de inverno foram maiores sob PC. No entanto, esse efeito só foi verificado em ano chuvoso quando ocorreu atraso na semeadura do milho em sucessão. As emissões de N2O estiveram relacionadas positivamente com o teor de nitrato (NO3 -), porosidade preenchida por água (PPA), temperatura do solo e com a atividade biológica. No período posterior ao pós-manejo, o efeito dos sistemas de cultura no estoque de N do solo comandou as emissões de N2O. O solo comportou-se como dreno de CH4, sendo essa característica mais evidente sob PD do que sob PC e inversamente relacionada com a precipitação acumulada nos três dias antes da coleta do gás. Os sistemas sob PD apresentaram PAG inferior aos sistemas sob PC. O PD com inclusão de leguminosas como plantas de cobertura é sugerido como um sistema com características de alta produtividade capaz de mitigar as emissões de GEE. / Soil conservation management systems are an important strategy for greenhouse gas mitigation. This research was performed in a long-term experiment (24 years) in an Acrisol, and aimed to evaluate conservation soil management systems' potential to mitigate greenhouse gas (GHG) emissions in Southern Brazil. Soil nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) emissions were evaluated under tillage (conventional-CT and no-tillage-NT) and cropping systems (oat/maize and vetch/maize) in the period after winter cover crop management (post-management) (2009/10 and 2010/11) and on annual basis (2009/10). Air sampling was performed using static closed chambers and gas concentrations were analyzed by gas chromatography. Simultaneously to air sampling, soil was evaluated regarding to mineral N, dissolved organic C contents, biological activity, temperature and moisture. Net global warming potential (GWP) for the management systems was calculated by accounting the annual N2O and CH4 fluxes, annual C retention rates and the C costs of agronomic inputs. Soil N2O emissions in the post-management period were higher under CT. However, this effect was only observed in years when there was rain-delayed corn sowing in succession to winter cover crops. N2O emissions were positively related to nitrate, water-filled pore space, soil temperature and biological activity. The effect of cropping system on total soil N stocks controlled N2O emissions in the period after the post-management. Soil was a small sink for atmospheric CH4. Soil capacity to take up CH4 tended to be higher in NT than CT and was inversely related with rainfall three days prior to air sampling. NT systems decreased GWP relative to CT practices. NT legumebased cropping system was considered the most promising management regime for simultaneously achieving maximal yield and GHG mitigation.

O impacto dos sistemas de manejo no comportamento de solos agrícolas como fonte ou dreno de gases de efeito estufa (GEE) é dependente dos sistemas de cultura adotados. O presente estudo foi conduzido, por dois anos (2010/2011 e 2011/2012), em dois experimentos de longa duração (28 e 30 anos) em Argissolo Vermelho e teve como objetivos: (i) avaliar efeito de plantas de cobertura de solo de inverno e de verão e dos sistemas de preparo convencional (PC) e plantio direto (PD) na emissão de óxido nitroso (N2O) e no balanço das emissões de GEE do solo, e (ii) identificar as variáveis meteorológicas e de solo controladoras dos fluxos de N2O do solo. O solo em PD apresentou as menores emissões de N2O em comparação ao PC nos dois anos agrícolas, enquanto as maiores emissões foram verificadas nos sistemas com presença de leguminosas de cobertura de solo. As emissões de CH4 foram baixas (< 10 Kg C equivalente.ha-1) em todos os sistemas de manejo, sendo sua magnitude praticamente desprezível no balanço de GEE. As emissões de N2O foram completamente contrabalanceadas pelo acúmulo de C no solo nos sistemas com leguminosas de cobertura, tornando o solo inclusive um sumidouro de GEE. O aumento exponencial dos fluxos de N2O do solo em valores de porosidade preenchida por água (PPA) superiores a 60-70% indicam que a desnitrificação é o principal processo responsável pela produção de N2O no solo. Por sua vez, esse comportamento foi mais característico nos sistemas que incluíam leguminosas de cobertura de solo, as quais determinaram um suprimento de N mineral para a desnitrificação através da decomposição da sua fitomassa rica em N. Os resultados obtidos indicam que a inclusão de leguminosas de cobertura de solo determinam um balanço positivo entre as emissões de N2O do solo e as taxas de retenção de C atmosférico no solo, permitindo produzir alimentos com menor impacto ambiental. / The impact of management systems in the behavior of agricultural soils as a source or sink of greenhouse gases (GHG) is dependent on the adopted crop systems. This study was conducted for two years (2010/2011 and 2011/2012), in two long-term experiments (28 and 30 yr) in an Acrisol and aimed to (i) evaluate the effect of winter and summer cover crops on N2O and CH4 emissions and GHG balance in no-till and conventionally-tilled soils, and (ii) to identify meteorological and soil variables controlling soil N2O fluxes. The soil under no-till had the lowest emissions of N2O compared to the conventional tillage, with the largest N2O emissions in cropping systems based on legume cover crops. The soil CH4 emissions were low (<10 kg C equivalent ha-1) in all soil management systems, and its magnitude was negligible for the GHG balance. The N2O emissions were completely counterbalanced by the C accumulation in the soil under the cover crops-based cropping systems, making the soil a GHG sink. The exponential increase of the soil N2O fluxes when water filled porosity space (WFPS) was higher than 60-70%, suggest denitrification as the major process involved in soil N2O production. In turn, this behavior was more characteristic in legume-based cover crops systems, which determined a mineral N supply to the denitrification through the decomposition of its N-rich biomass. The results indicate that the inclusion of legume cover crops determine a positive balance between the emissions of N2O and C atmospheric retention rates in the soil, allowing to produce food with less environmental impact.

A lavoura arrozeira é uma importante fonte de metano (CH4) no Rio Grande do Sul (RS), estado no qual a área cultivada desse cereal supera um milhão de hectares, com predomínio do sistema irrigado por inundação contínua. Diversos fatores controlam as emissões de CH4 e óxido nitroso (N2O) neste sistema de produção, dentre os quais se destacam as características de solo e de clima bem como, práticas de manejo adotadas na lavoura. Neste estudo, teve-se por objetivo: (a) determinar fatores de emissão de CH4 para diferentes regiões produtoras de arroz irrigado no Rio Grande do Sul e sua relação com características de solo e de clima; (b) avaliar o potencial de mitigação das emissões de CH4 e N2O do solo pela adoção de sistemas intermitentes de irrigação; e (c) avaliar o impacto da introdução de soja e milho nas emissões de CH4 e N2O em solos de terras baixas. Condições edafoclimáticas distintas provocaram diferenças nas emissões de CH4 nas lavouras de arroz irrigado avaliadas; observou-se que o fator de emissão de CH4 preconizado pelo IPCC (Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas) é um pouco inferior (18%) do que o valor médio determinado para cinco localidades no Rio Grande do Sul. Por outro lado, a adoção de sistemas intermitentes de irrigação mostrou-se uma estratégia eficiente para redução do potencial de aquecimento global parcial (PAGp) e da emissão de gases de efeito estufa por unidade de grão produzido. O impacto da intermitência da irrigação bem como do cultivo de culturas de sequeiro (soja e milho) na redução das emissões de CH4 sobrepuseram o aumento das emissões de N2O do solo, ambos com impacto favorável nas emissões por unidade de grão ou energia bruta produzida. Estudo conduzido no Japão demonstrou que o sistema de irrigação intermitente tem potencial similar em reduzir as emissões em condições distintas de solo e de clima, da mesma natureza ao que se verificou nas cinco localidades no Brasil. Parâmetros eletroquímicos da solução do solo, avaliados no Brasil e no Japão, apresentaram dinâmica similar de acordo com os sistemas de irrigação adotados. Porém, os efeitos nas alterações dessas variáveis foram mais facilmente observados no Japão. Tendo em vista os resultados obtidos, é importante considerar estas questões em regiões com grandes áreas destinadas à produção de grãos desta cultura, como é o caso do Sul do Brasil e de países asiáticos, pois pode viabilizar a mitigação das emissões de GEE nestes agroecossistemas. / The rice paddy fields is an important methane (CH4) source in Rio Grande do Sul (RS), state that rice area cultivated exceeds one million hectare, with a predominance of continuous flooding irrigation system. Several factors control CH4 and nitrous oxide (N2O) emissions in this production system, among which stand out soil and climate characteristics as well, management practices in the field. In this study objectives were: (a) determine CH4 emission factors from rice paddy fields in the different sites of Rio Grande do Sul state, and its relationship with soil and climate characteristics; (b) evaluate potential of irrigation management in rice paddy fields on mitigate CH4 and N2O emissions; (c) evaluate the introduction of soybean and maize crops in CH4 and N2O emissions in lowland soils. Different soil and climatic conditions resulted differences in CH4 emission factor; was observed that factor emission recommended by IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) is lower (18%) than the average value determined in five sites and two seasons in RS. On the other hand, the adoption of intermittent irrigation systems to show be an effective strategy for reducing the partial global warming potential (pGWP) and the greenhouse gas emissions (GHG) emission per grain unit produced. The impact of intermittent irrigation and the rainfed crop cultivation (soybean and corn) in reducing CH4 emissions was higher than increase on N2O emissions of soil, both with favorable impact on emissions by grain unit or gross energy produced. Study conducted in Japan showed that intermittent irrigation system has similar potential to reduce GHG emissions under different soil and climate conditions, the same way that was found in five sites in Brazil. Electrochemical parameters of soil solution, evaluated in Brazil and Japan, had similar dynamic in accordance with the irrigation systems adopted. However, effects on changes in these variables were more easily observed in Japan. Considering results obtained, it is important to consider these issues in sites with large rice areas production, such as the South of Brazil and Asian countries because it may enable the mitigation of GHG emissions in these agroecosystems.

Lagos, reservatórios e a rede de drenagem são importantes compartimentos na ciclagem global do carbono, atuando como relevantes reguladores dos fluxos entre o ambiente terrestre e os oceanos. Dependendo de características específicas de cada sistema, como morfologia, estado trófico e conectividade com a bacia de drenagem, esses sistemas podem operar como fontes ou sumidouros de CO2 e/ou CH4 em diferentes escalas de tempo e espaço. Os sistemas subtropicais são amplamente distribuídos e caracterizados por relevantes peculiaridades devido à marcante variabilidade sazonal da temperatura e precipitação, porém ainda são fortemente subrepresentados na literatura sobre CO2 e CH4 em águas naturais. Incertas também são as possíveis alterações de longo prazo no metabolismo e fluxos de gases de carbono em um cenário de mudanças climáticas. Na presente tese, o objetivo foi avaliar a relação entre a pressão parcial de CO2 (pCO2) e CH4 (pCH4) e fluxos na interface (difusão e ebulição) com potenciais fatores direcionadores em sistemas subtropicais (estratificação vertical, estado trófico, lançamentos de esgotos, carbono orgânico, hidrologia superficial e subterrânea, pluviosidade e temperatura). Além disso, a tese procurou estimar os impactos nos fluxos internos e na interface ar-água de carbono devido às mudanças climáticas previstas por modelos atmosféricos. O delineamento da tese incluiu coletas em sistemas subtropicais com distintas morfologias e estados tróficos, focando na variabilidade espacial e temporal de CO2 e CH4. Experimentos numéricos através de um modelo matemático bidimensional baseado em processos foram conduzidos para contribuir ao entendimento dos fluxos de carbono e avaliar os efeitos dos cenários de mudanças climáticas. Um resultado consistente foi a persistência da supersaturação de CO2 com significativa heterogeneidade espacial na bacia do arroio Capivara, caracterizada por um forte gradiente de uso e ocupação do solo. No trecho rural, a supersaturação pode estar associada principalmente à contribuição de CO2 no fluxo subterrâneo. No trecho urbano, ocorre um significativo incremento na pCO2 e FCO2, em razão do subsídio de carbono orgânico de lançamentos brutos de esgotos domésticos. A alcalinidade autóctone gerada por processos anaeróbicos ou alóctone oriunda dos despejos de esgotos pode também contribuir para a geração de CO2 no trecho urbano. Os estudos realizados em um reservatório eutrófico e profundo mostraram uma forte dependência da morfologia do sistema e sazonalidade da temperatura sobre os fluxos difusivos e ebulitivos de CO2 e CH4. O reservatório comportou-se como um sumidouro do CO2 atmosférico, ainda que com uma tendência para operar na heterotrofia durante os períodos mais frios e nos pontos mais rasos. O sistema comporta-se esporadicamente como uma fonte de metano por difusão nos pontos mais rasos, possivelmente devido aos processos de metanotrofia na camada oxigenada do reservatório nos pontos mais profundos. Os fluxos ebulitivos, possivelmente associados ao carbono orgânico autóctone, foram controlados pela profundidade e sazonalidade da temperatura. Considerando a idade do reservatório, os fluxos médios por bolhas são compatíveis com projeções empíricas disponíveis. O elevado tempo de residência do reservatório pode contribuir para a acumulação de matéria orgânica no sistema e, assim, atuar positivamente sobre os fluxos de carbono na interface ar-água observados. Ao longo de um período de 10 anos, a pCO2 apresentou intenso dinamismo na lagoa Mangueira, comportando-se como fonte e sumidouro de CO2 em diferentes escalas temporais e espaciais. A ação dos ventos sobre a superfície parecer ser o principal regulador pCO2, podendo atuar tanto na injeção de CO2 para o lago, como na degaseificação e mistura do sistema, atenuando assim variações locais de pCO2, principalmente, aquelas observadas no monitoramento intensivo e reproduzidas por modelagem matemática entre as zonas litorâneas (mais rasas) e pelágica (mais profunda). Além disso, indícios sugerem que o fluxo de água subterrânea rico em CO2 e os sedimentos ricos em carbonatos podem ser relevantes fatores direcionadores do pCO2 em lagos rasos, sustentando os fluxos na interface ar-água. Segundo os experimentos numéricos realizados, os cenários de mudanças climáticas também podem influenciar positivamente tanto o comportamento autotrófico durante o verão, antecipando a depleção de CO2 na transição primavera verão, quanto o comportamento heterotrófico nos meses mais frios, devido ao favorecimento dos processos de conversão de carbono pela elevação da temperatura e maior incremento de CO2 da atmosfera. Como conclusão, a presente tese disponibiliza fortes indícios de que sistemas subtropicais mantêm um elevado e variável desequilíbrio de CO2 e CH4, indicando que a variabilidade espacial e temporal dos fluxos de CO2 e CH4 deve ser levada em conta nas estimativas globais e locais. Além disso, os sistemas devem ser estudados separadamente, pois possuem particularidades que resultam em imensas diferenças nos fluxos de CO2 e CH4 na interface, mesmo situados em uma mesma zona climática. Esta tese demonstra que o uso integrado de dados de campo com modelos matemáticos complexos representa uma potente linha metodológica para não somente estudo sobre balanço de carbono, mas também de uma maneira geral em limnologia, capaz de integrar informações de campo discretas para serem utilizadas na previsão de cenários. / Lakes, freshwater reservoirs and streams are important compartments in global carbon cycling, acting as relevant regulators of carbon fluxes between the terrestrial environment and oceans. Depending on the specific characteristics of each system, such as morphology, trophic status and watershed connectivity, these systems can operate as sources or sinks of CO2 and CH4 to the atmosphere at different time and space scale. The subtropical systems are widely distributed and characterized by relevant peculiarities due to the strong seasonal variability in temperature and precipitation, but are still subrepresented in literature on regarding CO2 and CH4 fluxes in natural waters. Besides that, there is a special gap on how climate change can affects the lakes metabolism and gas fluxes in long term. In this thesis, the aim was to evaluate the relationship between the partial pressure of CO2 (pCO2) and CH4 (pCH4) and fluxes at the air-water interface (diffusion and ebullition), and the potential drivers in subtropical lake systems (vertical stratification, trophic state, wastewater discharges, organic carbon, surface and groundwater hydrology, rainfall and temperature). Moreover, the thesis assessed the impacts on carbon fluxes due to climate changes scenarios predicted by atmospheric models. The thesis is based on monitoring of different subtropical systems respect to morphology and trophic state, which focused on spatial and temporal variability of CO2 and CH4. Numerical experiments using a two-dimensional mathematical based-process model were conducted to contribute to the understanding of carbon fluxes and evaluate the effects of climate change scenarios. A consistent finding was the persistence supersaturation of CO2 with relevant spatial heterogeneity along the Capivara stream, which is characterized by a strong use and cover soil gradient. Within non-developed basin (upper Capivara), supersaturation may be mainly associated to the contribution of CO2 in the groundwater flow. Along the develop basin, occurs a significant increase in pCO2 and FCO2 due to the high availability of organic carbon in the wastewater discharges. The alkalinity autochthonous, generated by anaerobic processes, allochthonous in the sewage might also contribute to the CO2 generation within lower Capivara. The investigation carried out in an eutrophic and deep reservoir showed a strong dependence of ebulitivos and diffusive fluxes of CO2 and CH4 on morphology and seasonality of temperature. The reservoir behaved as a sink of CO2 atmospheric, although with a tendency to operate as an heterotrophic system during colder periods and in littoral zones. The system behaves as a sporadic source of methane for diffusion in shallow zones, possibly due to the methanotrophic processes through the oxic layer, mainly, at the deepest stations. The ebulitivos fluxes, possibly associated with autochthonous organic carbon, were controlled by the depth and temperature seasonality. Considering the age of the reservoir, the average fluxes by bubbling were consistent to the empirical estimates. The high residence time of the Faxinal reservoir can contribute to the accumulation of organic matter in the system and thus act positively to the carbon fluxes observed at the air-water interface. Over the period of 10 years, pCO2 showed intense dynamism in Lake Mangueira, behaving as a source as a sink of CO2 at different temporal and spatial scales. The action of wind on the surface appear to be the main regulator of pCO2, and can operate in both injection into the lake and in degassing of CO2, thus reducing local variations in pCO2, especially those observed with intensive monitoring and reproduced by the model between littoral (shallow) and pelagic (deeper) zones. Moreover, evidence suggests that the input of groundwater rich in CO2 from the soil and sediments rich in carbonate may be relevant drivers of pCO2 in shallow lakes, supporting the fluxes at the air-water interface. According to the numerical experiments, the climate change scenarios may positively influence both the autotrophic metabolism during the summer, anticipating the depletion of CO2 in the spring transition, and heterotrophic metabolism in the colder months due to the increase of conversion processes carbon by elevated temperature and higher increase of CO2 from the atmosphere. Thus, Lake Mangueira can experiment a higher seasonal amplitude in partial pressure of CO2. Subtropical lakes with lower buffer capacity and not limited by nutrients might experiment strong sazonal variation in pH, trending to acidiphication in the winter, and hard water combined with eutrophication in the summer. In conclusion, this thesis provides strong evidence that subtropical systems maintain a high and variable unbalance of CO2 and CH4, indicating that the spatial and temporal variability of the CO2 and CH4 fluxes should be taken into account in the global and local balances. Furthermore, the systems must be studied separately because they have characteristics that result in huge differences in the CO2 and CH4 fluxes at the air-water interface, despite of situated in the same climatic zone. This thesis demonstrates that the integration of data field and complex mathematical models is a powerful methodological approach not just on carbon balance studies, but also, in general, in limnology, which is able to integrate discrete monitoring to be further used in forecasting scenarios.

O aumento da população mundial e da demanda por recursos naturais têm levado a uma pressão cada vez maior sobre os ecossistemas. A dependência da sociedade pós-industrial de combustíveis fósseis e a intensificação do uso das terras vêm provocando incrementos nas concentrações de gases de efeito estufa na atmosfera, com impactos aparentes sobre diversos processos naturais. O solo tem um papel fundamental nesse contexto, pois é base para os sistemas produtivos agrícolas, os quais apresentam fluxos de gases de efeito estufa determinados pelo sistema de manejo. Este estudo teve como principal objetivo calibrar e validar o modelo DAYCENT utilizando dados de fluxos de gases de efeito estufa obtidos em experimentos de longo prazo na Depressão Central do Rio Grande do Sul. Os dados de solo, clima e plantas disponíveis foram utilizados para inicializar o modelo. As simulações foram divididas em três fases: equilíbrio inicial para estabilizar as variáveis internas, simulação de pré-experimento para representar o cultivo intensivo inicial que levou à degradação do solo; fase experimental reproduzindo gestão efetiva do estabelecimento dos experimentos até os dias atuais. O desempenho geral do modelo após calibração foi satisfatório para os fluxos de N2O. DAYCENT apresentou tendência de superestimar os fluxos de CH4 e subestimar os fluxos de CO2 em comparação com os valores medidos. No entanto, as tendências gerais destes fluxos foram capturadas pelo modelo. Estas discrepâncias observadas podem ser atribuídas às limitações dos algoritmos utilizados na versão atual do modelo: ausência de representação explícita de influxo de N2O, efluxo de CH4 dos solos (metanogênese) e respiração de raízes das plantas. Revisões do modelo em curso e procedimento de calibração mais refinados, com um conjunto mais amplo de dados, podem melhorar o desempenho do DAYCENT. / Population growth and increasing demand of natural resources have led to mounting pressure on ecosystems throughout the planet. The dependence of the post-industrial society on fossil fuels and land use intensification has been responsible for increased concentration of greenhouse gases with apparent effects on various natural processes. Soils play a key role in this context as they are the foundation of agricultural production systems, in which soil management determines greenhouse gas fluxes. This study aimed to calibrate and validate the DAYCENT model using greenhouse gas flux measurements conducted in a long-term cropping and tillage experiment in Central Rio Grande do Sul. Soil, climate and crop production data were used to initialize the model. The simulations were divided into three phases: initial equilibrium to stabilize internal variables, pre-experiment simulation to represent early intensive cultivation that led to soil degradation; experimental phase reproducing actual management from the establishment of the experiments to present day. The overall model performance of the greenhouse gas flux calibration was satisfactory for N2O fluxes. However, DAYCENT showed a tendency to overestimate CH4 fluxes and underestimate CO2 fluxes in comparison with the measured values, but the general trends of these fluxes where captured by the model. These observed discrepancies can be attributed to limitations in the current model algorithms: lack of explicit representation of N2O influx, CH4 efflux (methanogenesis) and autotrophic CO2 emission originating from plant roots. Ongoing model revisions and refined calibration procedure with a comprehensive dataset are expected to improve DAYCENT performance.