Soil CO2 efflux (F-soil) represents a significant source of ecosystem CO2 emissions that is rarely quantified with high-temporal-resolution data in carbon flux studies. F-soil estimates can be obtained by the low-cost gradient method (GM), but the utility of the method is hindered by uncertainties in the application of published models for the diffusion coefficient. Therefore, to address and resolve these uncertainties, we compared F-soil measured by 2 soil CO2 efflux chambers and F-soil estimated by 16 gas transport models using the GM across 1year. We used 14 published empirical gas diffusion models and 2 in situ models: (1) a gas transfer model called Chamber model obtained using a calibration between the chamber and the gradient method and (2) a diffusion model called SF6 model obtained through an interwell conservative tracer experiment. Most of the published models using the GM underestimated cumulative annual F-soil by 55% to 361%, while the Chamber model closely approximated cumulative F-soil (0.6% error). Surprisingly, the SF6 model combined with the GM underestimated F-soil by 32%. Differences between in situ models could stem from the Chamber model implicitly accounting for production of soil CO2, while the conservative tracer model does not. Therefore, we recommend using the GM only after calibration with chamber measurements to generate reliable long-term ecosystem F-soil measurements. Accurate estimates of F-soil will improve our understanding of soil respiration's contribution to ecosystem fluxes.

The role of disturbance is widely recognized as a fundamental driver of ecological organization from individual species to entire landscapes. Anthropogenic disturbances from military training provide a unique opportunity to examine effects of disturbance on vegetation dynamics, physicochemical soil properties, and ecosystem processes. Additionally, plant functional diversity has been suggested as the key to ecosystem processes such as productivity and nutrient dynamics. I investigated how disturbance and functional composition both singly and in combination affect vegetation dynamics, soil physicochemical properties, and ecosystem processes. I conducted my research at Fort Pickett, Virginia, USA to take advantage of the spatially and temporally predictable disturbance regime. In order to investigate the effect of plant functional composition on ecosystem properties, I used functional groups comprised of species with similar physiology and effects on ecosystem processes (C4 grasses, C3 grasses, legumes, forbs, woody plants). My study showed that two distinct disturbances associated with military training, vehicle maneuvers, and fire; affect functional group abundance, within functional group richness, and total species richness. I found strong effects of vehicle maneuvers on soil physical properties including an increase in bulk density and reduction in soil porosity. Fire also influenced soil physical properties but more indirectly through the reduction of above ground litter inputs. Though many of the measured physicochemical soil properties at Fort Pickett exhibited statistically significant effects of disturbance, the strength of these relationships appears to be modulated by influences of previous land use. I found statistically significant (P < 0.05) effects of disturbance on chlorophyll fluorescence, and effect of functional composition on available soil N- NH4+. In addition, I detected a significant interactive effect of disturbance class and functional composition on soil CO2 flux. The interactive effects of disturbance and functional composition on soil CO2 flux demonstrated how the loss of functional diversity could lead to instability in ecosystem processes in disturbed ecosystems.    In a dynamic ecosystem, I demonstrated that the abundance and diversity of plant functional groups was significantly influenced by disturbance. By experimentally altering the abundance and diversity of these functional groups in a disturbance-mediated ecosystem, I showed that functional groups and presumably species influence key ecosystem processes. / Ph. D.

O sistema climático global e o ciclo do carbono interagem intensamente, e o CO2 constitui um fator dominante na definição do clima, sendo gerado e consumido pelas plantas e pela atividade de microrganismos em ecossistemas aquáticos, terrestres e na atmosfera. Na atmosfera, esse gás contribui para o efeito estufa. Em um ecossistema de floresta tropical, grande parte da produção de CO2 é proveniente da respiração do solo, e os fluxos de CO2 na interface solo-atmosfera dependem de mudanças nas características físicas, químicas e biológicas na superfície do solo. O objetivo desse estudo foi investigar a variabilidade sazonal dos fluxos de CO2, decorrente da respiração do solo de diferentes florestas nativas da Amazônia, localizadas nos municípios de Sinop (MT), Caxiuanã (PA), Manaus (AM) e Santarém (PA), e determinar os principais parâmetros de correlação dos fluxos de CO2 do solo com a temperatura e umidade. As amostragens foram realizadas durante as estações seca e chuvosa em cada local. Os fluxos de CO2 foram medidos por meio de câmaras dinâmicas, que se baseiam na variação da concentração do gás no interior da câmara em função do tempo e foram calculados utilizando-se de equações lineares. Os valores médios encontrados para as regiões estudadas nas estações seca e chuvosa foram respectivamente: Sinop, 3,03 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 5,76 &#956;mol. CO2 m-2s-1; Caxiuanã, 5,07 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 6,09 &#956;mol.CO2 m-2s-1; Manaus, 5,47 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 5,44 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e Santarém, 2,90 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 5,64 &#956;mol.CO2 m-2s-1. Estes resultados demonstraram que houve variação regional e influência da sazonalidade na dinâmica do fluxo de CO2 do solo, sendo que, os maiores fluxos foram obtidos durante o período chuvoso, indicando que a disponibilidade de água e a temperatura do solo foram os principais condicionadores da produção do CO2. Foram coletadas amostras de serapilheira e raízes para estimar o estoque e a influencia sobre os fluxos de CO2 do solo, sendo estas, vias de entrada de nutrientes e principalmente de carbono para o solo. Para todas as regiões os maiores estoques foram encontrados na estação seca. / Carbon dioxide is an important contributor to the greenhouse effect, and by extension, the global climate system as a whole; it is generated and consumed through the activities of terrestrial and aquatic microorganisms. Tropical forest CO2 fluxes at the soil-atmosphere interface depend on changes in the physical, chemical and biological characteristics of the soil surface. The objective of the present study is to investigate seasonal variability of CO2 fluxes from soil respiration in Amazonian native forest located in the municipalities of Sinop (MT), Caxiuanã (PA), Manaus (AM) e Santarém (PA) and to determine the effects of determining parameters such as temperature and soil moisture. The CO2 fluxes were measured using dynamic chambers during both dry and wet seasons at each site. As the concentration of the gas inside the chamber varies with time, samples were taken at given time intervals and fluxes then calculated using linear regression equations. The average values found for Sinop in the dry and wet seasons were 3.03 and 5.92 &#956;mol.CO2 m-2s-1 respectively; for Caxiuanã, 5.07 &#956;mol.CO2 m-2s-1 and 6.09 &#956;mol.CO2 m-2s-1; for Manaus, 5.47 and 5.44 &#956;mol.CO2 m-2s-1; and for Santarém, 5.64 &#956;mol.CO2 m-2s-1 in the wet season and during the dry season and 6.09 &#956;mol.CO2 m-2s-1. Our results showed that there was a seasonal variation of the CO2 flux. The results also showed that there was an influence of the seasonality in the dynamics of the soil CO2 flux, where the greater fluxes were obtained during the wet season, indicating that water availability and soil temperature were the main factors determining production. Litter samples had been collected and roots esteem the supply and influence it on the CO2 fluxs of in the soil, being these, ways of entrance of nutrients and mainly of carbon for the ground. For all the regions the biggest supplies had been found in the dry station.

O sistema climático global e o ciclo do carbono interagem intensamente, e o CO2 constitui um fator dominante na definição do clima, sendo gerado e consumido pelas plantas e pela atividade de microrganismos em ecossistemas aquáticos, terrestres e na atmosfera. Na atmosfera, esse gás contribui para o efeito estufa. Em um ecossistema de floresta tropical, grande parte da produção de CO2 é proveniente da respiração do solo, e os fluxos de CO2 na interface solo-atmosfera dependem de mudanças nas características físicas, químicas e biológicas na superfície do solo. O objetivo desse estudo foi investigar a variabilidade sazonal dos fluxos de CO2, decorrente da respiração do solo de diferentes florestas nativas da Amazônia, localizadas nos municípios de Sinop (MT), Caxiuanã (PA), Manaus (AM) e Santarém (PA), e determinar os principais parâmetros de correlação dos fluxos de CO2 do solo com a temperatura e umidade. As amostragens foram realizadas durante as estações seca e chuvosa em cada local. Os fluxos de CO2 foram medidos por meio de câmaras dinâmicas, que se baseiam na variação da concentração do gás no interior da câmara em função do tempo e foram calculados utilizando-se de equações lineares. Os valores médios encontrados para as regiões estudadas nas estações seca e chuvosa foram respectivamente: Sinop, 3,03 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 5,76 &#956;mol. CO2 m-2s-1; Caxiuanã, 5,07 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 6,09 &#956;mol.CO2 m-2s-1; Manaus, 5,47 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 5,44 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e Santarém, 2,90 &#956;mol.CO2 m-2s-1 e 5,64 &#956;mol.CO2 m-2s-1. Estes resultados demonstraram que houve variação regional e influência da sazonalidade na dinâmica do fluxo de CO2 do solo, sendo que, os maiores fluxos foram obtidos durante o período chuvoso, indicando que a disponibilidade de água e a temperatura do solo foram os principais condicionadores da produção do CO2. Foram coletadas amostras de serapilheira e raízes para estimar o estoque e a influencia sobre os fluxos de CO2 do solo, sendo estas, vias de entrada de nutrientes e principalmente de carbono para o solo. Para todas as regiões os maiores estoques foram encontrados na estação seca. / Carbon dioxide is an important contributor to the greenhouse effect, and by extension, the global climate system as a whole; it is generated and consumed through the activities of terrestrial and aquatic microorganisms. Tropical forest CO2 fluxes at the soil-atmosphere interface depend on changes in the physical, chemical and biological characteristics of the soil surface. The objective of the present study is to investigate seasonal variability of CO2 fluxes from soil respiration in Amazonian native forest located in the municipalities of Sinop (MT), Caxiuanã (PA), Manaus (AM) e Santarém (PA) and to determine the effects of determining parameters such as temperature and soil moisture. The CO2 fluxes were measured using dynamic chambers during both dry and wet seasons at each site. As the concentration of the gas inside the chamber varies with time, samples were taken at given time intervals and fluxes then calculated using linear regression equations. The average values found for Sinop in the dry and wet seasons were 3.03 and 5.92 &#956;mol.CO2 m-2s-1 respectively; for Caxiuanã, 5.07 &#956;mol.CO2 m-2s-1 and 6.09 &#956;mol.CO2 m-2s-1; for Manaus, 5.47 and 5.44 &#956;mol.CO2 m-2s-1; and for Santarém, 5.64 &#956;mol.CO2 m-2s-1 in the wet season and during the dry season and 6.09 &#956;mol.CO2 m-2s-1. Our results showed that there was a seasonal variation of the CO2 flux. The results also showed that there was an influence of the seasonality in the dynamics of the soil CO2 flux, where the greater fluxes were obtained during the wet season, indicating that water availability and soil temperature were the main factors determining production. Litter samples had been collected and roots esteem the supply and influence it on the CO2 fluxs of in the soil, being these, ways of entrance of nutrients and mainly of carbon for the ground. For all the regions the biggest supplies had been found in the dry station.

Resumo: A caracterizacao da variabilidade espacial de atributos do solo de areas agricolas e uma tarefa importante, pois somada a influencia dos aspectos pedologicos temos uma grande contribuicao do manejo. Neste trabalho foi determinada a estrutura da variabilidade espacial da emissao de CO2, temperatura e umidade em Latossolo Vermelho eutroferrico em tres localidades sob cultivo da cana-de-acucar em sistemas de manejos de cana crua e de cana queimada, no nordeste do Estado de Sao Paulo. As maiores emissoes foram observadas no local sob manejo de cana queimada, num valor medio de 2,05 Êmol m-2 s-1, porem dependencia espacial na emissao de CO2 foi encontrada somente nas areas sob manejo de cana crua. Os modelos de semivariancia foram exponenciais, esfericos e gaussianos sendo a dependencia espacial classificada como forte ou moderada em todos os casos. Os mapas de krigagem da emissao de CO2, temperatura e umidade do solo sob manejo de cana queimada mostraram correspondencia a declividade do terreno, com as maiores emissoes e temperaturas e menores umidades localizadas na parte mais alta do local estudado. Os resultados indicaram correlacao linear entre a emissao de CO2 com a temperatura e com a umidade do solo somente no local com manejo de cana queimada, e nao no sistema de cana crua, onde a presenca de palhada na superficie certamente impede a acao direta da radiacao solar e o escoamento de chuvas. / Abstract: The characterization of spatial variability in agricultural soils is an important task, because added to the pedological aspects the soil management also influences such variability. In this work the spatial variability structure of a bare Dark Red Latosol CO2 emission, temperature and moisture were determined in three locations used with sugar cane crop culture, submitted to slash and burn or no till management systems in northeastern of Sao Paulo State. The highest emissions were observed in the slash and burn plot, with mean value of 2,05 Êmol m-2 s-1, but no spatial variability structure was seen for the CO2 emission in this plot. The variability models were exponential, spherical and gaussian, being the spatial dependence classified as strong and moderate in all the cases. In the slash and burn system, the kriging maps of soil CO2 emission, temperature and moisture had shown similarities to the land declivity, with the higher emissions and temperatures and the lower moisture values located in the highest parts of the studied place. The results indicated linear correlation between soil emission with temperature and moisture only in the slash and burn plot, and not in the no-till plots where crop residues were left in soil surface and certainly modified the direct action of the solar radiation and the rain draining. / Orientador: Newton La Scala Júnior / Coorientador: Gener Tadeu Pereira / Banca: José Marques Júnior / Banca: Marisa de Cássia Piccolo / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:33:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-02-01Bitstream added on 2014-06-13T20:45:35Z : No. of bitstreams: 1 panosso_ar_dr_jabo.pdf: 805581 bytes, checksum: ae9e7cfe85602f581a11930028a83d72 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho, foram avaliados aspectos diversos da emissão de CO2 (FCO2) em um Latossolo Vermelho em áreas de cana-de-açúcar sobre os sistemas de manejo de cana queimada (CQ) e cana crua (CC), no nordeste do Estado de São Paulo. No experimento 1 (ano de 2007), a média da FCO2 foi 39% superior na área de CQ (2,87 μmol m-2 s-1) quando compara à CC (2,06 μmol m-2 s-1) ao longo de um período de 70 dias de avaliação. Os modelos ajustados aos semivariogramas experimentais de FCO2 foram, na sua maioria, exponenciais em ambas as áreas. Os mapas de emissão foram homogêneos após um período de seca. O teor de matéria orgânica do solo e o estoque de carbono do solo (0-0,25 m) foram 13 e 20%, respectivamente, superiores em CQ quando comparados à CC. O grau de humificação da matéria orgânica do solo e a sua interação com a densidade do solo foi um importante fator, não somente na diferenciação da emissão de CO2 entre os diferentes sistemas de manejo. No experimento 2 (ano de 2008), foi conduzida a caracterização anisotrópica das variáveis estudadas por meio da dimensão fractal (DF), para diferentes direções (0o, 45o, 90o e 135o) em relação às linhas de plantio (0o). A propriedade porosidade livre de água (PLA) foi um dos principais fatores relacionados à variabilidade espacial de FCO2, independentemente das direções. Os valores de DF foram significativamente inferiores no sentido de plantio da cultura da cana-de-açúcar, indicando, além de anisotropia dessa propriedade, maior homogeneidade de FCO2 na direção de 0o. A PLA mostrou ser uma importante propriedade na compreensão da variabilidade espaçotemporal de FCO2, especialmente nas áreas de cana queimada / In this work was studied various aspects of soil CO2 emission (FCO2) of a bare Dark Red Latosol in sugarcane areas submitted to burned (B) and green (G) management systems in northeastern of São Paulo State. In the experiment 1 (year 2007), mean FCO2 emission was 39% higher in the B plot (2.87 μmol m-2 s-1) when compared to the G plot (2.06 μmol m-2 s-1) throughout the 70-day period after harvest. FCO2 Semivariogram models were mostly exponential in both areas. The emission maps are clearly more homogeneous after a drought period in both sites. Organic matter content and carbon stock (0-25 cm) were 13% and 20% higher in B, respectively, when compared to G. Regression analysis indicates that the humification index of soil organic matter, and its interaction with soil bulk density, is an important factor not just to differentiate emissions in each plot. In the experiment 2 (2008) the anisotropic characterization of the studied variables, was performed by deriving the fractal dimension (DF) calculated for different directions (0o, 45o, 90o and 135o) in relation to the crop line (0o). The air-filled pore space (AFPS) was the main factor affecting the spatial variability of FCO2 in all directions. The FCO2 DF values were significantly lower in the direction of planting of sugarcane crop, indicating anisotropy of this property and greater homogeneity in this direction. The AFPS was an important property in understanding the spatiotemporal variability of FCO2, especially in the areas submitted to burn

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-09-12Bitstream added on 2014-06-13T20:50:12Z : No. of bitstreams: 1 panosso_ar_me_jabo.pdf: 2194382 bytes, checksum: c6f96722456045aaddb9ac21be01b595 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A caracterizacao da variabilidade espacial de atributos do solo de areas agricolas e uma tarefa importante, pois somada a influencia dos aspectos pedologicos temos uma grande contribuicao do manejo. Neste trabalho foi determinada a estrutura da variabilidade espacial da emissao de CO2, temperatura e umidade em Latossolo Vermelho eutroferrico em tres localidades sob cultivo da cana-de-acucar em sistemas de manejos de cana crua e de cana queimada, no nordeste do Estado de Sao Paulo. As maiores emissoes foram observadas no local sob manejo de cana queimada, num valor medio de 2,05 Êmol m-2 s-1, porem dependencia espacial na emissao de CO2 foi encontrada somente nas areas sob manejo de cana crua. Os modelos de semivariancia foram exponenciais, esfericos e gaussianos sendo a dependencia espacial classificada como forte ou moderada em todos os casos. Os mapas de krigagem da emissao de CO2, temperatura e umidade do solo sob manejo de cana queimada mostraram correspondencia a declividade do terreno, com as maiores emissoes e temperaturas e menores umidades localizadas na parte mais alta do local estudado. Os resultados indicaram correlacao linear entre a emissao de CO2 com a temperatura e com a umidade do solo somente no local com manejo de cana queimada, e nao no sistema de cana crua, onde a presenca de palhada na superficie certamente impede a acao direta da radiacao solar e o escoamento de chuvas. / The characterization of spatial variability in agricultural soils is an important task, because added to the pedological aspects the soil management also influences such variability. In this work the spatial variability structure of a bare Dark Red Latosol CO2 emission, temperature and moisture were determined in three locations used with sugar cane crop culture, submitted to slash and burn or no till management systems in northeastern of Sao Paulo State. The highest emissions were observed in the slash and burn plot, with mean value of 2,05 Êmol m-2 s-1, but no spatial variability structure was seen for the CO2 emission in this plot. The variability models were exponential, spherical and gaussian, being the spatial dependence classified as strong and moderate in all the cases. In the slash and burn system, the kriging maps of soil CO2 emission, temperature and moisture had shown similarities to the land declivity, with the higher emissions and temperatures and the lower moisture values located in the highest parts of the studied place. The results indicated linear correlation between soil emission with temperature and moisture only in the slash and burn plot, and not in the no-till plots where crop residues were left in soil surface and certainly modified the direct action of the solar radiation and the rain draining.

Resumo: Neste trabalho, foram avaliados aspectos diversos da emissão de CO2 (FCO2) em um Latossolo Vermelho em áreas de cana-de-açúcar sobre os sistemas de manejo de cana queimada (CQ) e cana crua (CC), no nordeste do Estado de São Paulo. No experimento 1 (ano de 2007), a média da FCO2 foi 39% superior na área de CQ (2,87 μmol m-2 s-1) quando compara à CC (2,06 μmol m-2 s-1) ao longo de um período de 70 dias de avaliação. Os modelos ajustados aos semivariogramas experimentais de FCO2 foram, na sua maioria, exponenciais em ambas as áreas. Os mapas de emissão foram homogêneos após um período de seca. O teor de matéria orgânica do solo e o estoque de carbono do solo (0-0,25 m) foram 13 e 20%, respectivamente, superiores em CQ quando comparados à CC. O grau de humificação da matéria orgânica do solo e a sua interação com a densidade do solo foi um importante fator, não somente na diferenciação da emissão de CO2 entre os diferentes sistemas de manejo. No experimento 2 (ano de 2008), foi conduzida a caracterização anisotrópica das variáveis estudadas por meio da dimensão fractal (DF), para diferentes direções (0o, 45o, 90o e 135o) em relação às linhas de plantio (0o). A propriedade porosidade livre de água (PLA) foi um dos principais fatores relacionados à variabilidade espacial de FCO2, independentemente das direções. Os valores de DF foram significativamente inferiores no sentido de plantio da cultura da cana-de-açúcar, indicando, além de anisotropia dessa propriedade, maior homogeneidade de FCO2 na direção de 0o. A PLA mostrou ser uma importante propriedade na compreensão da variabilidade espaçotemporal de FCO2, especialmente nas áreas de cana queimada / Abstract: In this work was studied various aspects of soil CO2 emission (FCO2) of a bare Dark Red Latosol in sugarcane areas submitted to burned (B) and green (G) management systems in northeastern of São Paulo State. In the experiment 1 (year 2007), mean FCO2 emission was 39% higher in the B plot (2.87 μmol m-2 s-1) when compared to the G plot (2.06 μmol m-2 s-1) throughout the 70-day period after harvest. FCO2 Semivariogram models were mostly exponential in both areas. The emission maps are clearly more homogeneous after a drought period in both sites. Organic matter content and carbon stock (0-25 cm) were 13% and 20% higher in B, respectively, when compared to G. Regression analysis indicates that the humification index of soil organic matter, and its interaction with soil bulk density, is an important factor not just to differentiate emissions in each plot. In the experiment 2 (2008) the anisotropic characterization of the studied variables, was performed by deriving the fractal dimension (DF) calculated for different directions (0o, 45o, 90o and 135o) in relation to the crop line (0o). The air-filled pore space (AFPS) was the main factor affecting the spatial variability of FCO2 in all directions. The FCO2 DF values were significantly lower in the direction of planting of sugarcane crop, indicating anisotropy of this property and greater homogeneity in this direction. The AFPS was an important property in understanding the spatiotemporal variability of FCO2, especially in the areas submitted to burn / Orientador: Newton La Scala Júnior / Coorientador: Marcel Bellato Spósito / Coorientador: José Marques Junior / Coorientador: Gener Tadeu Pereira / Banca: Carlos Eduardo Pellegrino Cerri / Banca: Zigomar Menezes de Souza / Banca: José Garcia Vivas Miranda / Banca: José Eduardo Corá / Doutor