Atualmente observa-se a necessidade de projetos direcionados à interação solo-planta em ecossistemas naturais, envolvendo a recuperação de áreas degradadas. Vários estudos têm demonstrado que a ciclagem de nutrientes, principalmente em solos de baixa fertilidade, é a responsável pela manutenção das florestas. Em especial, a ciclagem do fósforo requer maiores atenções pelo fato da baixa disponibilidade e da elevada capacidade de adsorção desse elemento em solos tropicais. Dessa forma, o fósforo orgânico assume considerável importância por reduzir os efeitos de adsorção, permanecendo na forma de compostos orgânicos no solo. O objetivo desse trabalho foi avaliar a ciclagem do fósforo ao longo da topossequência na Floresta Ombrófila Densa, na Restinga e na pastagem dos Núcleos de Picinguaba (Ubatuba-SP) e Santa Virgínia (São Luis do Paraitinga-SP), determinando quantitativamente os compartimentos inorgânicos e orgânicos nos quais o fósforo está retido. Na Floresta Ombrófila Densa foram avaliadas as áreas de Mata de Restinga (5 a 20m de altitude), de Floresta Ombrófila Densa de Terras Baixas (50 a 100m), de Floresta Ombrófila Densa Submontana (300 a 600m de altitude), de Floresta Ombrófila Densa Montana (ao redor de 1000m de altitude) e também uma área de pastagem (810m). Foram coletadas amostras de serapilheira de acordo com a variação sazonal (estações seca e úmida). Os estudos da fertilidade do solo foram realizados até 0,4m de profundidade (0-5, 5-10, 10-20, 20-30 e 30-40 cm no perfil do solo), para cada um das áreas estudadas. O fracionamento sequencial e estoques de fósforo foram realizados para cada camada. No solo e na serapilheira foram quantificados os teores e estoques de N e C para correlacioná-los com o P. As maiores produções de serapilheira foram verificadas nas fitofisionomias de menores altitudes. Quanto aos teores e estoques de C, N e P na serapilheira apenas os teores de N diferiram entre as áreas. Com relação às áreas estudadas, a Restinga apresentou maior eficiência na ciclagem de P, como também tendência a uma menor resiliência em relação às demais fitofisionomias. As áreas avaliadas apresentaram a mesma capacidade de fornecimento do compartimento de Po moderadamente lábil (Po NaOH), independente da altitude, da presença dos agentes fixadores e da idade geológica do solo. Através do fracionamento sequencial do P, verificou-se que a contribuição dos fósforos orgânicos (Po NaHCO3 e Po NaOH) presentes no solo, em função dos compartimentos lábeis e moderadamente lábeis disponíveis à planta a curto e médio prazo, em geral, atingiu 50% para as camadas superficiais do solo. / Currently projects regarding soil-plant interaction in natural ecosystems that involve recovery of degraded areas are in high demand. Studies have shown that nutrient cycling, especially in low fertility soil, is responsible for forest maintenance. Phosphorus cycling demands higher attention because of its low availability and high adsorption capacity in tropical soil. Therefore, organic phosphorus is important for reducing the effect of such processes, maintaining itself in the form of organic compounds in soil. The aim of this study was to evaluate phosphorus cycling throughout altitudinal gradient of Rain Forest in the Picinguaba (Ubatuba-SP) and Santa Virginia (São Luis do Paraitinga) Study Centers, quantitatively determining organic and inorganic compartments in which phosphorus is retained. In the Rain Forest, areas of Restinga Forest (altitude of 5 to 20m), Lowland Forest (50 to 100m), Submontane Forest (300 to 600m), Montane Forest (aroud 1000m altitude) and also pasture areas (810m) were evaluated. Litterfall samples were collected according to seasonal variation (dry and wet seasons). Soil fertility studies were carried out up to 0.4m of depth, in layers of 0-5, 5-10, 10-20, 20-30 e 30-40 cm, a total of five layers of soil for each ecosystem studied. For each layer, sequential fractionation of phosphorus was carried out. In soil and litterfall, chemical analysis of N and C contents to evaluate the relation of such compounds with P were also carried out. The highest productions of litterfall were found in lower altitude phytophisionomies. As for levels and storage of C, N and P of litterfall, only the levels of N differed among the areas. Related with the studied areas, Restinga presented higher efficiency in P cycling, as well as lower resilience regarding other phytophisionomies. The evaluated areas presented the same supplying capacity as the moderate labile Po compartment (Po NaOH), independent of altitude, fixating agents and of geological age of soil. Because of sequential fractionation of phosphorus, the contribution of organic phosphorous (Po NaHCO3 and Po NaOH), present in the soil, achieved in general 50% of topsoil layers, because of labile and moderate labile compartments available to plants in a short and medium term.

Os serviços ecossistêmicos se traduzem em benefícios diretos e indiretos obtidos pelos seres humanos do ambiente natural graças ao papel imprescindível dos ecossistemas para o seu bem-estar, saúde e desenvolvimento socioeconômico. Considerando o serviço ecossistêmico de purificação da água, a retenção de nitrogênio e fósforo pelos ecossistemas aquáticos depende de uma combinação de mecanismos físicos, químicos e biológicos que transformam o nutriente no sentido longitudinal de um curso de água. A retenção é majoritariamente estudada em ambientes temperados, mas ainda pouco se sabe sobre como as características ambientais de sistemas tropicais podem afetá-la. O objetivo principal dessa pesquisa foi estimar a retenção de macronutrientes em riachos localizados no bioma Cerrado (SP). Avaliaram-se, além das características físicas e químicas, as taxas de retenção de nitrato, amônio e fosfato em trechos de quatro riachos caracterizados por gradientes de concentrações ambientais para testar hipóteses vinculadas ao nível de enriquecimento por nutrientes e ao papel de riachos tropicais sobre a retenção ecossistêmica. No período de janeiro a outubro de 2017, foram realizados pulsos de nutrientes, segundo o método Tracer Additions for Spiraling Curve Characterization, para modelagem e quantificação de métricas de retenção desses nutrientes (distância, taxa e velocidade de retenção em condições ambientais), além do comportamento cinético de cada adição. Os riachos foram hierarquizados conforme o nível de enriquecimento por fosfato, variável utilizada como discriminante de tal enriquecimento em função de sua significativa variação inter-riachos. Com relação às métricas de retenção, foram encontradas diferenças espaciais significativas entre riachos, enquanto que não foram observadas diferenças temporais entre coletas. Em geral, riachos não enriquecidos apresentaram distâncias de retenção em geral menores (8-418 m para nitrato, 38-172 m para amônio e de 60-560 m para fosfato) em comparação a ambientes enriquecidos (56-508 m para nitrato, 35-253 m para amônio e de 77-391 m para fosfato). Além disso, os riachos não enriquecidos apresentaram maior velocidade de retenção (máximas de 123 mm min-1 para nitrato, 68 mm min-1 para amônio e 17 mm min-1 para fosfato), além de taxas de retenção (µg m-2 min-1) superiores em comparação aos enriquecidos. O nitrato apresentou maiores taxas ambiental de retenção (média geométrica de 999,3 µg m-2 min-1), enquanto o amônio apresentou menor distância ambiental de retenção (média geométrica de 85,7 m) e maior velocidade ambiental de retenção (média geométrica de 6,9 mm min-1). No ajuste cinético da retenção, não foi evidenciada a saturação de concentrações para nenhum caso. O modelo Efficiency-Loss mostrou melhor ajuste cinético aos dados experimentais que os modelos cinéticos de Michaelis-Menten e primeira ordem. As métricas de retenção obtidas são de magnitudes superiores às normalmente reportadas na literatura para riachos de pequeno porte em outros biomas, o que reforça a importância da preservação e conservação de riachos tropicais. Para isso, sugere-se especial atenção ao controle e disciplinamento das formas de uso e ocupação do solo nestas bacias. Concluiu-se que os riachos analisados desempenham um papel relevante como sumidouros de N e P, o que os permite colocar na categoria de cursos de água estratégicos em relação ao serviço ambiental de retenção de nutrientes. . / Aquatic systems are responsible for key ecosystems services, providing direct and indirect benefits for human beings such as well-being, health and socio-economic development. The ecosystem service of water purification is one of their main functions. Nutrient uptake in surface waters is a combination of physical, chemical and biological mechanisms which transform the nutrient in a downstream direction. The nutrient uptake has been mostly studied in temperate environments, but little is known about how the environmental characteristics of tropical systems could affect it. The main objective of this study was to estimate the nutrient uptake in streams located in the Cerrado biome (SP). In addition to the physical and chemical characteristics, nitrate, ammonium and phosphate uptake rates were evaluated in reaches of four streams characterized by gradients of environmental concentrations. Also we tested hypotheses regarding the level of nutrient enrichment and the role of tropical streams on the whole ecosystem uptake. From January to October 2017, nutrient additions were carried out according to the Tracer Additions for Spiraling Curve Characterization method, in order to model and quantify nutrient uptake metrics (uptake lenght, uptake rate and uptake velocity under ambient conditions) and to characterize the kinetics of each addition. The streams were ranked according to the level of enrichment by phosphate, since its concentrations showed significant variation across streams. Significant spatial differences were found across streams, while no temporal differences were observed among sampling periods. In general, non-enriched streams generally had lower uptake lengths (8-418 m for nitrate, 38-172 m for ammonium and 60-560 m for phosphate) in comparison to enriched streams (56-508 m for nitrate, 35 -253 m for ammonium and 77-391 m for phosphate). Non-enriched streams showed higher uptake velocities (maximum of 123 mm min-1 for nitrate, 68 mm min-1 for ammonium and 17 mm min-1 for phosphate), as well as uptake rates (µg m-2 min-1) greater than enriched streams. Nitrate had higher ambient uptake rates (geometric mean of 999.3 µg m-2 min-1), while ammonium had lower ambient uptake length (geometric mean of 85.7 m) and higher ambient uptake velocity (geometric mean of 6.9 mm min-1). The uptake kinetics modelling suggested that no nutrient saturation occurred in any case. The Efficiency-Loss kinetic model had better fit to the experimental data than Michaelis-Menten and first-order kinetic models. The retention metrics obtained are higher than those normally reported in the literature for low-order streams in other biomes, which highlights the importance of preservation and conservation of tropical streams. Special attention should be given to the control and management of the land use forms in these watersheds. The studied streams play a relevant role as sinks of N and P, indicating they are strategic watercourses regarding the environmental service of nutrient uptake.

O manejo dos resíduos florestais (serapilheira e sobras da colheita) já foi amplamente discutido na década de 90, época em que técnicas de preparo de solo baseadas no cultivo mínimo foram adotadas na formação de povoamentos florestais no Brasil. Atualmente esse tema volta a ser discutido, isso porque pressões quanto à utilização dos resíduos florestais como fonte de energia tem surgido. Devido a esse fato, compreender os efeitos da remoção dos resíduos florestais e da fertilização em sucessivas rotações se torna necessário, isso para que manejos inadequados não comprometam a sustentabilidade da produção florestal. O objetivo geral com essa tese foi compreender os impactos da remoção dos resíduos florestais e da não fertilização, por sucessivas rotações, na qualidade do solo, crescimento, ciclagem de nutrientes e consequentemente na sustentabilidade da produção de florestas de eucalipto. Este estudo foi conduzido na Estação Experimental de Ciências Florestais de Itatinga - SP, ESALQ - USP. O experimento foi instalado em 2004, com diferentes intensidades de remoção dos resíduos florestais e omissão de N, P, K, Ca e Mg. Na primeira rotação de cultivo, o experimento foi conduzido por oito anos. Em 2012, o experimento foi reinstalado, reaplicando todos os tratamentos. Os resultados foram divididos em cinco capítulos. Com o primeiro objetivou-se avaliar o efeito dos tratamentos no crescimento e na relação entre resposta à fertilização e variáveis climáticas. Observou-se que a remoção dos resíduos florestais reduziu em 5% o volume final de madeira (8 anos de idade) da primeira rotação, entretanto essa diferença não foi significativa. Aos 4 anos da segunda rotação, a remoção dos resíduos florestais resultou em redução de 14 % no volume de madeira com casca (p=0,001). Esta redução no volume de madeira com a remoção dos resíduos por duas rotações consecutivas, mesmo com alto invertimento em fertilização, mostra que outros efeitos além da disponibilidade de nutrientes estão impactando a produtividade. Desta forma, procurou-se entender quais seriam esses efeitos. Observou-se (segundo capítulo) que a remoção dos resíduos florestais reduziu em 25 % o teor de C da camada superficial do solo, com isso, reduziu a atividade microbiológica e aumentou a disponibilidade de Al. Além disso, com a remoção dos resíduos florestais observou-se redução nos estoques de C, N, P e S do solo (terceiro capítulo). Com o fracionamento do P do solo (quarto capítulo), observou-se que a remoção dos resíduos florestais resultou na redução de 34 para 30 % a contribuição das frações lábeis e moderadamente lábeis no P total e redução de 40 % (p = 0,014) da fração lábil. No último capítulo avaliou-se o efeito da fertilização na produtividade primária líquida (PPL) e na ciclagem de nutrientes. A não fertilização com P reduziu em 10 % a PPL, entretanto não afetou sua partição. A não fertilização com K reduziu em 63% a PPL e reduziu a partição desta alocada no lenho. A não fertilização com K também aumentou a produção de serapilheira e reduziu a taxa de retranslocação de todos os demais nutrientes. A não fertilização com N e P aumentou a taxa de retranslocação desses nutrientes e reduziu a taxa de decomposição da serapilheira. Estes resultados indicam que a remoção total dos resíduos florestais e/ou a não fertilização comprometem a sustentabilidade da produção florestal, sendo este efeito observado na primeira, ou no máximo na segunda rotação. / The forest residue management was highly studied in 90\'s yeas, when the minimal tillage was consolidated as the main technique to forest plantation in Brazil. Currently this issue has been discussed again. This because pressure to use of these forest residues as energy source has emerged. Due this fact is necessary a better comprehension of the effect of the forest residue removal and fertilizer application on the wood production sustainability. The main goal with this thesis was to understand the impact of the forest residue removal and the absence of fertilizer application, over two crop rotation, on the soil quality, tree growth, nutrient cycling and consequently on the wood production sustainability. The study was carried out at the Itatinga Forest Science Experimental Station of the ESALQ-USP. The experimental site was settled in 2004, with different timber harvest residues intensity and absence of fertilizer application with N, P, K, Ca and Mg. This plantation was conducted over 8 years (R1), and then, in 2012, it was reestablished (R2), reapplying all the treatments on the same plots. The results of this experiment were splitted out in 5 chapters. With the first one, our goal was to assess the effect of the treatments on the tree growth and to understand the effect of weather condition on the treatment\'s response. The forest residual removal reduced in 5 % the wood volume at 8 years of the R1. At 4 years old of the R2, the forest residue removal decreased 14 % the wood volume (p=0,001). This reduction in the wood volume even with fertilizer application indicated that another effect beyond the nutrient availability can impact the wood productivity. This way these effects were studied and had been showed in the follow chapters. In the chapter 2 we found that the forest residue removal reduced 25 % the soil organic carbon (SOC) in the top layer, this way reducing the microbial activity and increasing the Al availability. Beyond that, the forest residue removal reduced the soil C, N, P and S stocks over 1 m deep (Chapter 3). With the P fractionation (Chapter 4) a reduction of 40% in the labile P fraction was discovered. In the last chapter we assessed the effect of the fertilizer application on the net primary production (NPP) and on the nutrient cycling. The absence of P fertilizer reduced in 10 % the NPP, however did not affect in this partition. The absence of K fertilizer reduced in 63 % the NPP and reduced the allocation in the wood. The absence of K fertilizer also improved the litterfall production and reduced the nutrient retranslocation rate. The absence of N and P fertilizer application improved the retranslocation rate of these nutrients and reduced the litter layer decomposition rate.

O Brasil é considerado o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, voltada para a produção de açúcar, etanol e derivados. O aproveitamento de resíduos da usina, como torta de filtro e vinhaça no condicionamento do solo pode contribuir com a manutenção da sua fertilidade. Por outro lado, a cada operação agrícola necessária para o cultivo da cana-de-açúcar está associada uma emissão de GEE que deve ser contabilizada. O objetivo desta pesquisa foi estimar a emissão dos principais GEE (CO2, N2O e CH4) pela torta de filtro, e avaliar as alterações de alguns atributos das comunidades microbianas durante o processo de decomposição. Após avaliação de uma enquete sobre o modo de utilização da torta de filtro por diversas usinas, um estudo foi desenvolvido na Usina Costa Pinto localizada em Piracicaba (SP). A torta aplicada no sulco de plantio da cana foi monitorada quanto à emissão dos gases, sendo que as concentrações dos mesmos nas amostras foram determinadas por cromatografia gasosa. Os atributos microbiológicos examinados foram a biomassa, a atividade enzimática (fosfatase ácida, alcalina e ?-glicosidase) e a estrutura da comunidade através do polimorfismo de fragmento de restrição terminal (T-RFLP). Foi observada emissão significativa dos principais GEE predominantemente da torta quando aplicada nos sulcos de plantio, com destaque para o N2O, com uma proporção doze vezes maior em massa do que o CH4, em 56 dias de experimento. Quanto aos aspectos microbiológicos, o maior valor encontrado de carbono e nitrogênio da biomassa microbiana para a dose usualmente aplicada (25 Mg ha-1), foi com dois meses de experimento, com respectivamente 484,89 ?g C g solo seco-1 e 62,95 ?g N g solo seco-1, e correlacionado pelo coeficiente de Pearson com a atividade enzimática no material. Pela técnica de T-RFLP foi possível avaliar a estrutura dos Domínios de Archaea, Bacteria e Fungi na comunidade microbiana da torta de filtro. Não houve modificação dessa estrutura ao longo do tempo analisado. Os resultados obtidos reforçam a importância dos atributos microbiológicos aliados a fatores químicos e físicos e a influência dos mesmos sobre as emissões de GEE. / Brazil is the greatest worldwide producer of sugarcane with production of sugar, ethanol and derived. Usually applied to soil as fertirrigation, filter cake and vinasse on soil conditioning have contributed to the maintenance of fertility. On the contrary, each agricultural operation is associated to GHG emissions that must be accounted for the balance of products. This work aims evaluate GHG emissions (CO2, N2O and CH4) from the filter cake, as well as evaluate the main differences in the microbiological community available within the decomposition process. After evaluation of a survey about to use the filter cake by industries, the study has been developed at Usina Costa Pinto located in Piracicaba (SP). The filter cake applied to the row of sugarcane planting have been monitored by taking regular samples of the emissions. The concentration of the three gases in the samples has been determined by gas chromatography. The microbiological aspects has been evaluated by biomass, enzymatic activity (acid phosphatase, alkaline phosphatase, and beta-glycosidase) and the community structure through terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP). Significant GHG emission has been observed; mainly from the filter cake applied to the row of sugarcane planting especially N2O, with ratio twelve times greater than CH4 in 56 days of experiment. For microbiological aspects, the maximum of carbon and nitrogen from the microbial biomass for the treatment usually applied (25 Mg ha-1), within two months of experimentation, with respectively 484,89 ?g C g dry soil-1 e 62,95 ?g N g dry soil-1, and correlated by the coefficient of Pearson with the enzymatic activity existent in the material. The T-RFLP analysis has allowed evaluate the community structures of Archaea, Bacteria e Fungi in the microbiological community of the filter cake. Modification in the community structures was not observed over this time examined. The results obtained reinforce the importance of microbiological aspects combined with chemical and physical factors and their influence on GHG emissions.

Os serviços ecossistêmicos se traduzem em benefícios diretos e indiretos obtidos pelos seres humanos do ambiente natural graças ao papel imprescindível dos ecossistemas para o seu bem-estar, saúde e desenvolvimento socioeconômico. Considerando o serviço ecossistêmico de purificação da água, a retenção de nitrogênio e fósforo pelos ecossistemas aquáticos depende de uma combinação de mecanismos físicos, químicos e biológicos que transformam o nutriente no sentido longitudinal de um curso de água. A retenção é majoritariamente estudada em ambientes temperados, mas ainda pouco se sabe sobre como as características ambientais de sistemas tropicais podem afetá-la. O objetivo principal dessa pesquisa foi estimar a retenção de macronutrientes em riachos localizados no bioma Cerrado (SP). Avaliaram-se, além das características físicas e químicas, as taxas de retenção de nitrato, amônio e fosfato em trechos de quatro riachos caracterizados por gradientes de concentrações ambientais para testar hipóteses vinculadas ao nível de enriquecimento por nutrientes e ao papel de riachos tropicais sobre a retenção ecossistêmica. No período de janeiro a outubro de 2017, foram realizados pulsos de nutrientes, segundo o método Tracer Additions for Spiraling Curve Characterization, para modelagem e quantificação de métricas de retenção desses nutrientes (distância, taxa e velocidade de retenção em condições ambientais), além do comportamento cinético de cada adição. Os riachos foram hierarquizados conforme o nível de enriquecimento por fosfato, variável utilizada como discriminante de tal enriquecimento em função de sua significativa variação inter-riachos. Com relação às métricas de retenção, foram encontradas diferenças espaciais significativas entre riachos, enquanto que não foram observadas diferenças temporais entre coletas. Em geral, riachos não enriquecidos apresentaram distâncias de retenção em geral menores (8-418 m para nitrato, 38-172 m para amônio e de 60-560 m para fosfato) em comparação a ambientes enriquecidos (56-508 m para nitrato, 35-253 m para amônio e de 77-391 m para fosfato). Além disso, os riachos não enriquecidos apresentaram maior velocidade de retenção (máximas de 123 mm min-1 para nitrato, 68 mm min-1 para amônio e 17 mm min-1 para fosfato), além de taxas de retenção (µg m-2 min-1) superiores em comparação aos enriquecidos. O nitrato apresentou maiores taxas ambiental de retenção (média geométrica de 999,3 µg m-2 min-1), enquanto o amônio apresentou menor distância ambiental de retenção (média geométrica de 85,7 m) e maior velocidade ambiental de retenção (média geométrica de 6,9 mm min-1). No ajuste cinético da retenção, não foi evidenciada a saturação de concentrações para nenhum caso. O modelo Efficiency-Loss mostrou melhor ajuste cinético aos dados experimentais que os modelos cinéticos de Michaelis-Menten e primeira ordem. As métricas de retenção obtidas são de magnitudes superiores às normalmente reportadas na literatura para riachos de pequeno porte em outros biomas, o que reforça a importância da preservação e conservação de riachos tropicais. Para isso, sugere-se especial atenção ao controle e disciplinamento das formas de uso e ocupação do solo nestas bacias. Concluiu-se que os riachos analisados desempenham um papel relevante como sumidouros de N e P, o que os permite colocar na categoria de cursos de água estratégicos em relação ao serviço ambiental de retenção de nutrientes. . / Aquatic systems are responsible for key ecosystems services, providing direct and indirect benefits for human beings such as well-being, health and socio-economic development. The ecosystem service of water purification is one of their main functions. Nutrient uptake in surface waters is a combination of physical, chemical and biological mechanisms which transform the nutrient in a downstream direction. The nutrient uptake has been mostly studied in temperate environments, but little is known about how the environmental characteristics of tropical systems could affect it. The main objective of this study was to estimate the nutrient uptake in streams located in the Cerrado biome (SP). In addition to the physical and chemical characteristics, nitrate, ammonium and phosphate uptake rates were evaluated in reaches of four streams characterized by gradients of environmental concentrations. Also we tested hypotheses regarding the level of nutrient enrichment and the role of tropical streams on the whole ecosystem uptake. From January to October 2017, nutrient additions were carried out according to the Tracer Additions for Spiraling Curve Characterization method, in order to model and quantify nutrient uptake metrics (uptake lenght, uptake rate and uptake velocity under ambient conditions) and to characterize the kinetics of each addition. The streams were ranked according to the level of enrichment by phosphate, since its concentrations showed significant variation across streams. Significant spatial differences were found across streams, while no temporal differences were observed among sampling periods. In general, non-enriched streams generally had lower uptake lengths (8-418 m for nitrate, 38-172 m for ammonium and 60-560 m for phosphate) in comparison to enriched streams (56-508 m for nitrate, 35 -253 m for ammonium and 77-391 m for phosphate). Non-enriched streams showed higher uptake velocities (maximum of 123 mm min-1 for nitrate, 68 mm min-1 for ammonium and 17 mm min-1 for phosphate), as well as uptake rates (µg m-2 min-1) greater than enriched streams. Nitrate had higher ambient uptake rates (geometric mean of 999.3 µg m-2 min-1), while ammonium had lower ambient uptake length (geometric mean of 85.7 m) and higher ambient uptake velocity (geometric mean of 6.9 mm min-1). The uptake kinetics modelling suggested that no nutrient saturation occurred in any case. The Efficiency-Loss kinetic model had better fit to the experimental data than Michaelis-Menten and first-order kinetic models. The retention metrics obtained are higher than those normally reported in the literature for low-order streams in other biomes, which highlights the importance of preservation and conservation of tropical streams. Special attention should be given to the control and management of the land use forms in these watersheds. The studied streams play a relevant role as sinks of N and P, indicating they are strategic watercourses regarding the environmental service of nutrient uptake.

Orientador: José Eduardo Corá / Banca: Marcilio Vieira Martins Filho / Banca: Edson Luiz Mendes Coutinho / Banca: Carolina Fernandes / Banca: José Luiz Rodrigues Torres / Resumo: A produção de massa seca (MS) para cobertura do solo é dificultada devido às condições climáticas na região de Uberaba. O objetivo do presente estudo foi avaliar a produção de massa seca, decomposição e liberação dos nutrientes dos resíduos vegetais de plantas de coberturas do solo e seus efeitos sobre os atributos físicos e químicos do solo, no estado nutricional e na produtividade das culturas de milho e soja cultivadas em rotação. O delineamento foi em blocos casualizados, no esquema em faixas, com quatro repetições. Os tratamentos foram: quatro coberturas vegetais do solo (braquiária brizanta, crotalária juncea, milheto e pousio) e ausência de cobertura sobre soja e milho como culturas de verão. Avaliaram-se: produção, taxa de decomposição e liberação de nutrientes dos resíduos das plantas de cobertura, produtividade do milho e soja e atributos químicos e estabilidade de agregados em água nas camadas 0,0-2,5; 2,5-5,0 e 5,0-10 cm e densidade do solo nas camadas de 0,0-5,0 e 5,0-10 cm. Resíduos das plantas de coberturas com menores teores de lignina e celulose apresentaram maiores taxa de decomposição, independentemente da relação C/N. As condições climáticas após o manejo das plantas de cobertura influenciaram a taxa de decomposição e a liberação dos nutrientes dos resíduos. O uso de plantas de cobertura do solo proporcionou o aumento dos teores de matéria orgânica do solo na camada de 0,0-2,5 cm e da estabilidade dos agregados em água na camada de 0,0-10,0 cm do solo. As plantas de cobertura não influenciaram no estado nutricional e na produtividade de milho e soja em rotação. / Abstract: The production of dry mass (DM) for soil covering is made more difficult in the region of Uberaba, due to the climatic conditions. The purpose of this study was to evaluate the production of dry mass, decomposition and nutrient liberation of the vegetal residues from the cover crops, as well as their effects on the physical and chemical attributes of the soil, on the nutritional state and on productivity of corn and soybean plantations cultivated in rotation scheme. Delineation was in random blocks, in strips, with four repetitions. The treatments were: four cover crops (brachiaria, sunnhemp, millet and fallow land) and absence of ground cover over soybean and corn as summer cultures. The following points were assessed: production, decomposition rate and liberation of nutrients from the residues of the cover crops, corn and soybean productivity and chemical attributes and stability of aggregates in the water at layers 0.0- 2.5; 2.5-5.0 and 5.0-10.0 cm and soil density at layers of 0.0-5.0 and 5.0-10.0 cm. Residues from the cover plants with less content of lignin and cellulose, showed a higher rate of decomposition, independent of the C/N relation. Climatic conditions after handling of the cover plants influenced in the decomposition rate and liberation of nutrients from the residues. The use of ground cover plants allowed for a rise in the contents of organic material of the soil at layer 0.0-2.5 cm and of the stability of the water aggregates at layer 0.0-10.0 cm of soil. The cover crops did not influence in the nutritional state and productivity of corn and soybean in rotation schemes. / Doutor

Cette thèse décrit les systèmes de production agricole en termes de flux biogéochimiques d’azote (N), de phosphore (P) et de carbone (C) dans les territoires français de 1852 à 2014 suivant une approche socio-écologique qui permet d’appréhender les logiques qui les gouvernent. Les résultats obtenus mettent en lumière à l’échelle des territoires français le lien systémique entre structures de production, bilans N et P et variations des stocks de C organique dans les sols agricoles. Les systèmes agricoles intensifs et spécialisés engendrent les pertes environnementales et les consommations de ressources par unité de surface agricole les plus considérables et accentuent l’ouverture des cycles d’N et de P. Cependant, c’est seulement après la seconde guerre mondiale que certaines régions françaises se sont spécialisées dans la grande culture ou, à partir des années 1980, dans l’élevage intensif. La période des années 1950 à 1980 est marquée par l’accélération des rendements des cultures végétales, de la densité de cheptel et de l’usage des fertilisants minéraux. Les conséquences en ont été une augmentation des bilans N et P et des apports de C aux sols agricoles, causant des pertes considérables d’N vers l’hydrosphère et l’atmosphère et l’augmentation des stocks de P et de C dans les sols. Néanmoins, l’accumulation du C n’a été rendue possible que par le recours aux fertilisants minéraux et au machinisme agricole consommant des énergies fossiles. Ainsi, le stockage du C dans les sols représente un effet secondaire du passage d’un métabolisme énergétique dépendant de l’énergie solaire à un métabolisme fondé sur la combustion d’énergie fossile. / This work investigates agricultural systems from the angle of nitrogen (N), phosphorus (P) and carbon (C) fluxes in French regions from 1852 to 2014, following a socio-metabolic approach stressing out the underlying logic behind these material fluxes. Results brought out by this research highlight the systemic relation between production pattern and N and P balances, and changes in soil organic C stocks in agricultural soil. Intensive specialized agricultural systems generate high environmental losses and resource consumption per unit agricultural surface and present largely open nutrient cycles due to substantial trade flows. Conversely, integrated crop and livestock farming have more limited N and P consumption and lead to lower air and water contamination. Long-term analysis shows that only after the Second World War, under the pressure of strong interventionist policies, some French regions specialized into crop or livestock farming. Particularly, the period from the 1950’s to the 1980’s was marked by a concomitant acceleration in crops yields, livestock production and use of mineral fertilizers. This resulted in increased N and P balances over cropland and grassland and growing C inputs to cropland, causing important losses of N to the hydrosphere and atmosphere, together with the accumulation of P and C stocks in soils. However, C accumulation resulting from increased crop production was permitted by the increased recourse to mineral fertilizers and agricultural machinery which consumes fossil-fuel energy. Therefore, C storage in cropland was a side-effect of the shift from an energy metabolism based on solar energy to one based on fossil-fuel combustion.

Mixed-species plantations of eucalypts and acacias have the potential to improve stand productivity over that of respective monocultures through the facilitative effect of nitrogen-fixation by acacias, and increased resource capture through above- and belowground stratification. However, growth in mixed-species plantations may not be improved compared to that of monocultures when competitive interactions outweigh the effects of improved nutrient availability and resource capture. Careful selection of sites and species is therefore critical to successfully improving stand productivity using mixed-species plantations. This study set out to examine some of the processes and interactions that occur in mixed-species plantations, and the effect nutrient and water availability can have on the growth of mixtures. In three out of four mixed-species field trials examined in this study, growth was not increased in mixtures compared to monocultures. However, in the fourth field trial, heights, diameters, stand volume and aboveground biomass were higher in mixtures of E. globulus and A. mearnsii from 3-4 years after planting. The range in outcomes from mixing species in these four trials shows that a fundamental understanding of the underlying processes is required to enable a greater predictive capacity for the circumstances under which mixtures will be successful. Therefore the growth dynamics, processes and interactions were examined in the mixtures of E. globulus and A. mearnsii. The difference in productivity between mixtures and monocultures in this trial increased with time up to age 11 years, when 1:1 mixtures contained twice the aboveground biomass of E. globulus monocultures. The positive growth response of trees in mixture compared to monocultures was the result of accelerated rates of nutrient cycling, a shift in C allocation and reductions in light competition through canopy stratification. Nitrogen contents of foliage and soil clearly showed that A. mearnsii influenced the N dynamics in this trial. If these changes in N contents were due to N fixation by A. mearnsii, then about 51 and 86 kg N ha-1 yr-1 was fixed in the 1:1 mixtures and A. mearnsii monocultures, respectively. Nitrogen fixation was also examined using the natural abundance method. The delta15N values of foliage collected at 10 years were grouped according to the mycorrhizal status of the host plant. Therefore the discrimination of 15N during transfer from mycorrhizae to the host plant appeared to vary with mycorrhizal status, and the natural abundance of 15N was not used to quantify N fixation. Rates of N and P cycling in litterfall were significantly higher in stands containing at least 25% A. mearnsii (more than 31 kg N ha-1 yr-1 and more than 0.68 kg P ha-1 yr-1) compared to E. globulus monocultures (24 kg N ha-1 yr-1 and 0.45 kg P ha-1 yr-1). Rates of litter decomposition and N and P release were about twice as high in 1:1 mixtures compared to E. globulus monocultures and were even higher in A. mearnsii monocultures. It is therefore important to select N-fixing species that are capable of cycling nutrients quickly between the plant and soil, and that have readily decomposable litter. The total belowground C allocation was not significantly different between mixtures and monocultures (14 to 16 Mg C ha-1 yr-1). However, since aboveground net primary production was greater in 1:1 mixtures, the changes in nutrient availability appears to have increased total productivity (both above- and belowground), and reduced the proportion of C allocated belowground in mixtures compared to E. globulus monocultures. In a pot trial containing mixtures of E. globulus and A. mearnsii both species grew larger in mixture than in monoculture at low N levels, and mixtures were more productive than monocultures. However, at high N levels, E. globulus suppressed A. mearnsii and mixtures were less productive than E. globulus monocultures. Similar effects were found for high and low levels of P. Therefore resource availability can have a strong influence on the interactions and growth of mixtures. The productivity of mixtures may only be increased on sites where the resource for which competition is reduced in mixture is a major limiting growth resource. For example, if N is not a limiting growth factor then an increase in N availability from N-fixation may not increase growth, and the N-fixing species may compete for other resources such as soil P, moisture or light. This study has shown that mixtures containing a N-fixing trees and a non-N-fixing trees can be more productive than monocultures, but that this increase in productivity will only occur on certain sites. Examination of the growth, interactions and processes that occurred in mixtures in this study provide useful information that can aid the selection of species combinations and sites.

The anthropogenic introduction of species into new ecosystems is a global phenomenon, and identifying the mechanisms by which some introduced species become dominant in their introduced ranges (i.e., invasive) is crucial to predicting, preventing, and mitigating the impacts of biological invasions. Introduced perennial C₄ grasses are invading semi-arid grassland and savanna ecosystems throughout the south-central U.S. We hypothesized that in these semi-arid ecosystems, where variable precipitation patterns strongly influence vegetation dynamics, the success of an invasive plant species may be due in part to ecophysiological traits that enable high performance in response to unpredictable water availability. We also hypothesized that increased primary productivity and decreased plant input quality associated with these grass invasions have the potential to alter ecosystem carbon and nitrogen cycling and storage by altering the ratio of inputs (productivity) to outputs (decomposition/respiration). We tested the first hypothesis by quantifying ecophysiological performance differences between an invasive C₄ grass, Bothriochloa ischaemum, and co-occurring C₃ and C₄ native grasses under wet and dry conditions in the field and under two levels of simulated precipitation frequencies in a greenhouse experiment. We tested the second hypothesis by examining whether increased primary productivity and decreased C₃:C₄ grass ratios in savanna grass-matrices associated with B. ischaemum invasion altered (1) plant input quality and thus nutrient cycling and/or (2) net ecosystem carbon uptake in invaded areas. B. ischaemum's success as an invader was not directly related to its ability to cope with precipitation variability and availability, but its ability to rapidly produce large amounts of biomass may allow it to directly out-compete native species. B. ischaemum invasion decreased plant input quality and soil nitrogen availability. B. ischaemum invasion shifted ecosystem C-uptake from being nearly year-round to occurring predominantly in the summer. Greater C-uptake during the summer and under drier conditions compensated for a shorter growing seasons in B. ischaemum-invaded areas and cumulative annual NEE was similar between invaded and native-dominated areas. We conclude that B. ischaemum's impacts on soil nitrogen availability and plant-canopy microhabitat may allow it to exclude native species from invaded areas, but that its impacts on ecosystem C sequestration may be small. / text

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