Plataforma digital integrada para dados de biomassa e carbono na Floresta Amazônica

Orientador: Prof. Dr. Carlos Roberto SanquettaCoorientadores: Profa. Dra. Ana Paula Dalla Corte e Prof. Dr. Jaime WojciechowskiTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa : Curitiba, 29/04/2021Inclui referências: p. 156-169Área de concentração: Manejo FlorestalResumo: A floresta amazônica brasileira concentra um dos maiores estoques de biomassa e carbono no planeta, com total estimado de 150-200 Gt de carbono. Uma vez que as florestas atuam como sumidouros de carbono, o qual é estocado na biomassa florestal, também possuem importância na regulação climática do planeta. Portanto, estudos de quantificação de biomassa nessa floresta tropical são imprescindíveis para se buscar um maior entendimento nas questões ligadas às mudanças climáticas. Nesse sentido, ressaltam-se dois problemas relativos às estimativas de biomassa para o bioma Amazônia: 1. O uso de limitadas bases de dados de inventário florestal, com poucos registros de parcelas e indivíduos; 2. A aplicação de equações de biomassa genéricas para florestas tropicais, ou seja, não específicas para tipologias florestais. Além disso, dados relativos a inventários florestais no bioma Amazônia, os quais permitem as quantificações de biomassa e carbono, são escassos ou se encontram de maneira dispersa em diversas bases de dados, muitas vezes com acesso restrito, limitando a realização de estudos interdisciplinares. O objetivo do presente trabalho foi consolidar uma plataforma digital de livre acesso, com informações acerca da quantificação dos estoques de carbono e biomassa no bioma Amazônia, a partir de duas amplas bases de dados de inventários florestais (Projeto Paisagens Sustentáveis - EMBRAPA - e Projeto RADAMBRASIL), utilizando uma abordagem inédita, com aplicação de equações de biomassa específicas para duas tipologias florestais de ampla extensão territorial no bioma Amazônia: floresta densa e floresta aberta. Além disso, compararam-se os efeitos das equações de biomassa propostas por diferentes autores para essas fitofisionomias com equações genéricas para florestas tropicais, a fim de propor uma nova abordagem de espacialização para gerar mapas de biomassa específicos para as tipologias floresta densa e floresta aberta. Informações acerca das estimativas de biomassa e coordenadas geográficas de cada parcela foram integradas ao software JCarbon©, uma plataforma open data. Por fim, também foram comparadas estimativas de biomassa obtidas por meios de técnicas de regressão linear, aprendizado de máquina e dados LiDAR. Os resultados indicaram que a biomassa aérea de árvores com diâmetro ? 30 cm, para as duas tipologias florestais, é de 46,5 Gt, o que corresponde a 53% da biomassa total estimada para o bioma Amazônia (valor total, considerando todos os indivíduos vivos e todas as tipologias florestais ocorrentes), em comparação com dados publicados no relatório FRA 2020 (Global Forest Resources Assessment), publicado pela FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). Trinta e dois mapas de distribuição de biomassa aérea e carbono aéreo de árvores foram gerados para as áreas de floresta densa e floresta aberta, proporcionando uma análise de sensibilidade espacial dos valores de biomassa e carbono preditos. Estimativas obtidas por meio de equações genéricas superestimaram em 4,6% e 33,2% os valores de biomassa obtidos por meio de equações específicas de floresta densa e floresta aberta, respectivamente. Houve um ganho de 11% no valor médio obtido de biomassa estimada pelas equações específicas. Conclui-se que o uso de equações de biomassa genéricas é inadequado para estimar a biomassa em ecossistemas como bioma Amazônia, caracterizado pela heterogeneidade fitoecológica. Dessa forma, para extensas bases de dados de inventário florestal, como é o caso do Projeto Paisagens Sustentáveis e do Projeto RADAMBRASIL, recomenda-se o uso de equações de biomassa específicas para as diferentes tipologias florestais. A partir da análise comparativa de estoques de biomassa obtidos por meio de equações de biomassa, dados LiDAR e algoritmos de aprendizado de máquina, pode-se inferir que o uso de sistemas LiDAR tem elevado potencial não só para gerar mapas acurados da distribuição da biomassa, como também para a obtenção de valores confiáveis de biomassa acima do solo por unidade de área no bioma Amazônia. Ademais, equações de biomassa a partir de modelos tradicionais (regressão linear) e de modelos de aprendizado de máquina também se constituem em abordagens com bom desempenho preditivo da biomassa aérea de árvores no bioma Amazônia, recomendando-se, assim, a integração de dados de sistemas LiDAR com dados de inventários florestais. Por fim, a integração da base de dados do presente estudo com o software JCarbon© foi bem-sucedida, constituindo uma fonte de consulta espacial inédita (online-webgis e open data) de estoques de biomassa em grande número de parcelas no bioma Amazônia.Abstract: The Brazilian Amazon rainforest is one of the largest biomass and carbon sources on the planet, with a total estimated stock of around 150-200 Gt C. Given its importance as a carbon sink, biomass quantification studies in this area are essential to obtain a better understanding of climate change-related issues. Therefore, this study highlights two problems related to biomass estimates of the Amazon biome. First, the limited availability of forest inventory databases, with a limited sample size. Second, the application of generic allometric equations, i.e., non-forest type-specific equations, unsuitable to specific forest types. Furthermore, it is known that data on forest inventories in Brazil, mainly in the Brazilian Amazon, which allow the quantification of biomass and carbon, are scarce or are dispersed in several databases, often with restricted access, limiting the performance of interdisciplinary studies. This study aimed to estimate biomass and carbon storage from two larges datasets of forest survey (Paisagens Sustentáveis Project and RADAMBRASIL Project), utilizing forest type-specific allometric equations for two predominant forest types in the Amazon biome: dense forests and open forests. Additionally, the dense and open forest equation effects were compared to establish a new spatialization approach to generate specific tree biomass maps for these forest types. Information about the biomass estimates and geographical coordinates of each plot were integrated to the JCarbon© software, an open data platform. Also, biomass estimates obtained by traditional methods (classical linear regression) machine learning and LiDAR data were also compared. The results indicated that the combined aboveground tree biomass of dense and open forest types, for trees with diameter ? 30 cm, was 46.5 Gt, or 53% of the biome's biomass (total value considering all living trees and forest types), compared to data published in the FRA 2020 report (Global Forest Resources Assessment), published by FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). Thirty-two refined biomass maps were generated for dense and open forest areas, providing a novel spatial sensitivity analysis of the predicted biomass and carbon values predicted. Biomass estimates obtained utilizing the generic equations were overestimated by 4.6% and 33.2% compared to those obtained utilizing the specific equations for dense and open forests, respectively. Moreover, there was a gain of approximately 11% in the average biomass value obtained by the forest typespecific equations. It was concluded that only large-scale forest inventories databases may provide reliable biomass and carbon estimation, and forest type-specific equations should be utilized to estimate the Amazon biome's biomass, which is an environment characterized by phytoecological heterogeneity. Thus, for extensive forest inventory databases, such as the Paisagens Sustentáveis Project and the RADAMBRASIL Project, the use of specific allometric equations for different forest types is recommended. From the comparative analysis of biomass stocks obtained using allometric equations, LiDAR data and machine learning algorithms, it can be inferred that the use of LiDAR systems has high potential not only to generate accurate maps of the distribution of biomass, but, also, to obtain reliable values of aboveground biomass per unit area in the Amazon biome. In addition, biomass equations from traditional models (linear regression) and machine learning models provides a good predictive performance of aerial biomass estimates in the Amazon biome, thus indicating the integration of forest inventory data with LiDAR systems data. Finally, the integration of the database of the present study with the JCarbon© software was successful, constituting an unprecedented source of spatial data (online-webgis and open data) of biomass stocks in a large number of inventory plots in the Amazon biome

Development of a portable leaf photosynthesis and volatile organic compounds emission system.

Understanding how plant carbon metabolism responds to environmental variables such as light is central to understanding ecosystem carbon cycling and the production of food, biofuels, and biomaterials. Here, we couple a portable leaf photosynthesis system to an autosampler for volatile organic compounds (VOCs) to enable field observations of net photosynthesis simultaneously with emissions of VOCs as a function of light. Following sample collection, VOCs are analyzed using automated thermal desorption-gas chromatograph-mass spectrometry (TD-GC-MS). An example is presented from a banana plant in the central Amazon with a focus on the response of photosynthesis and the emissions of eight individual monoterpenes to light intensity. Our observations reveal that banana leaf emissions represent a 1.1 +/- 0.1% loss of photosynthesis by carbon. Monoterpene emissions from banana are dominated by trans-β-ocimene, which accounts for up to 57% of total monoterpene emissions at high light. We conclude that the developed system is ideal for the identification and quantification of VOC emissions from leaves in parallel with CO2 and water fluxes.The system therefore permits the analysis of biological and environmental sensitivities of carbon metabolism in leaves in remote field locations, resulting in the emission of hydrocarbons to the atmosphere.•A field-portable system is developed for the identification and quantification of VOCs from leaves in parallel with leaf physiological measurements including photosynthesis and transpiration.•The system will enable the characterization of carbon and energy allocation to the biosynthesis and emission of VOCs linked with photosynthesis (e.g. isoprene and monoterpenes) and their biological and environmental sensitivities (e.g. light, temperature, CO2).•Allow the development of more accurate mechanistic global VOC emission models linked with photosynthesis, improving our ability to predict how forests will respond to climate change. It is our hope that the presented system will contribute with critical data towards these goals across Earth's diverse tropical forests

FITOSSOCIOLOGIA EM COMUNIDADES FLORESTAIS DO PROJETO RADAMBRASIL NO BIOMA AMAZÔNIA

A Floresta Amazônica é o maior hotspot de biodiversidade de seres vivos do planeta, incluindo espécies de plantas. Portanto, informações sobre a estrutura da composição florística dessa floresta - obtidas por meio de análises fitossociológicas - são de sua importância. A hipótese de estudo é que a diversidade florística na Amazônia, observada a partir de levantamentos florestais realizado nas décadas de 70 e 80, assemelha-se à diversidade encontrada em levantamentos datados dos últimos 10 anos. O objetivo da presente pesquisa foi avaliar parâmetros fitossociológicos da estrutura horizontal em comunidades florestais do Projeto RADAMBRASIL. Foram analisados dados para duas tipologias florestais predominantes no Bioma Amazônia: Floresta Ombrófila Densa (1.158 parcelas; 70.371 árvores) e Floresta Ombrófila Aberta (854 parcelas; 43.860 árvores). Os dados foram extraídos da plataforma online BDiA (Banco de Dados de Informações Ambientais), criada pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). Sete parâmetros da estrutura horizontal foram calculados e avaliados, além do Índice de Shannon-Wiener (H’). Os resultados indicaram a ocorrência de 76 famílias e 661 espécies de árvores, em Floresta Densa. Já para Floresta aberta, foram 69 famílias e 593 espécies. Uma alta diversidade florística pôde ser observada nas parcelas de Floresta Densa e Floresta Aberta, expressa pelos valores de H’ encontrados, iguais a 5,33 e 5,36 nats.ind-1, respectivamente. As famílias com maior número de indivíduos, em ambas as tipologias, foram Lecythidaceae, Sapotaceae e Burseraceae. As espécies Eschweilera coriacea (DC.) S.A.Mori, Pouteria caimito (Ruiz & Pav.) Radlk. e Protium altissimum (Aubl.) Marchand, apresentaram os maiores valores de importância (VI) nas tipologias analisadas. Além disso, essas espécies destacaram-se pelos altos valores de dominância absoluta e frequência absoluta. Concluiu-se que a diversidade florística na Floresta Amazônica, observada a partir de levantamento realizado nas décadas de 70 e 80, assemelha-se à diversidade encontrada em levantamentos datados dos últimos 10 anos

Development of a portable leaf photosynthesis and volatile organic compounds emission system

Understanding how plant carbon metabolism responds to environmental variables such as light is central to understanding ecosystem carbon cycling and the production of food, biofuels, and biomaterials. Here, we couple a portable leaf photosynthesis system to an autosampler for volatile organic compounds (VOCs) to enable field observations of net photosynthesis simultaneously with emissions of VOCs as a function of light. Following sample collection, VOCs are analyzed using automated thermal desorption-gas chromatograph-mass spectrometry (TD-GC–MS). An example is presented from a banana plant in the central Amazon with a focus on the response of photosynthesis and the emissions of eight individual monoterpenes to light intensity. Our observations reveal that banana leaf emissions represent a 1.1 +/- 0.1% loss of photosynthesis by carbon. Monoterpene emissions from banana are dominated by trans-β-ocimene, which accounts for up to 57% of total monoterpene emissions at high light. We conclude that the developed system is ideal for the identification and quantification of VOC emissions from leaves in parallel with CO2 and water fluxes.The system therefore permits the analysis of biological and environmental sensitivities of carbon metabolism in leaves in remote field locations, resulting in the emission of hydrocarbons to the atmosphere. • A field-portable system is developed for the identification and quantification of VOCs from leaves in parallel with leaf physiological measurements including photosynthesis and transpiration. • The system will enable the characterization of carbon and energy allocation to the biosynthesis and emission of VOCs linked with photosynthesis (e.g. isoprene and monoterpenes) and their biological and environmental sensitivities (e.g. light, temperature, CO2). • Allow the development of more accurate mechanistic global VOC emission models linked with photosynthesis, improving our ability to predict how forests will respond to climate change. It is our hope that the presented system will contribute with critical data towards these goals across Earth's diverse tropical forests. © 202

POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS E ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DE RESÍDUOS DE HORTIFRUTICULTURA EM COLOMBO-PR

O Brasil, ao aderir ao Acordo de Paris, comprometeu-se a cumprir metas de redução de emissão de gases de efeito estufa (GEEs) em 37% até 2025, juntamente com outros 194 países. Dentro do âmbito nacional, o Plano ABC (Agricultura de Baixo Carbono), visa organizar e planejar ações para a adoção de tecnologias de produção sustentáveis no setor agropecuário do país, com o objetivo de atender aos compromissos de redução de emissão de GEEs. Na cadeia produtiva do alimento ocorre a geração de expressiva quantidade de resíduos, além de perdas pós-colheita, podendo impactar significativamente o meio ambiente se não forem devidamente destinados e tratados. Uma das ações previstas na Política Nacional sobre Mudança do Clima é o incentivo fiscal para indústrias e agricultores que tenham relação com o fornecimento de suprimentos para o setor de biogás e geração de fertilizantes orgânicos. O presente estudo objetivou analisar o potencial de aproveitamento dos resíduos hortifruticultura no município de Colombo (Paraná), prospectando sua utilização para geração de biogás. Para tanto, foram realizadas entrevistas com 51 agricultores do município. No total, foi estimado que o município gera cerca de 43 t.dia-1 de resíduos pós-colheita, com um potencial de gerar 3.200 m3 de biogás por dia. Acredita-se que o aproveitamento dos resíduos de hortifruticultura no município pode trazer inúmeros benefícios econômicos, ambientais e sociais à região e aos agricultores envolvidos. Além disso, tal resultado contribui para atender às demandas para intensificar a participação de bioenergia sustentável na matriz energética do país, prevista nos recentes Acordos Climáticos firmados

MERCADO DE CELULOSE NO BRASIL E EM CINCO GRANDES PAÍSES

Projeta-se uma expansão do consumo mundial de papel na próxima década, de 430 para 460 Mt anuais, parte significativa a ser produzida a partir de celulose de madeira. Nesse contexto, o Brasil recentemente se tornou o líder mundial na exportação de celulose. Este estudo analisa o mercado de celulose no Brasil e em 5 outros grandes países no mercado mundial de celulose (Canadá, China, Estados Unidos, Índia e Rússia). Avalia-se a hipótese da dependência do Brasil nas exportações em relação à China e as perspectivas de seu crescimento em função da tendência de aumento no consumo per capita em países emergentes muito populosos. Os dados analisados, para o período 1961 a 2017 foram obtidos do sistema FAOSTAT (Food and Agriculture Organization of the United Nations). No período analisado o Brasil se tornou o maior exportador mundial de celulose, com 13,348 Mt.ano-1 e o segundo maior produtor, com 19,527 Mt.ano-1, em 2017. A China é, de longe, o maior importador do produto, com 21,911 Mt.ano-1. Todos os outros países estudados são importadores em menor escala, embora alguns sejam grandes produtores, como os EUA (líder mundial) e o Canadá, sendo esses os principais concorrentes do Brasil entre os países examinados. Conclui-se que o Brasil ainda tem espaço para crescer no mercado de celulose, tendo em vista as perspectivas de aumento no consumo per capita em países emergentes, como a China e a Índia

Métodos de quantificação do estoque de carbono na biomassa de Nectandra grandiflora Nees em remanescente de Floresta Ombrófila Mista

Atualmente, observa-se que a capacidade de sobrevivência das florestas naturais é fortemente afetada pelas mudanças climáticas, em que a quantificação do carbono é um quesito fundamental para a seleção de espécies adequadas para climas futuros. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo aplicar e avaliar métodos de quantificação do estoque de carbono na biomassa para a espécie arbórea Nectandra grandiflora em um fragmento de Floresta Ombrófila Mista Montana no estado do Paraná, Brasil. As biomassas úmidas do fuste, galhos, folhas e raízes foram obtidas de 30 árvores e, posteriormente, convertidas em secas para a determinação dos teores e dos estoques de carbono. Ademais, fatores de expansão de biomassa e razões de raízes foram calculados, bem como equações alométricas de simples e dupla entradas, em função do diâmetro e da altura, foram ajustadas visando fundamentar os seis métodos de quantificação de carbono aplicados, os quais foram avaliados pelo índice de concordância de Willmott, critério de informação de Akaike e erro quadrático médio. Houve maior acurácia em efetuar a quantificação do carbono com equações alométricas de simples entrada combinadas com teores médios ou ponderados de carbono. Ao passo que o uso da biomassa do fuste associada aos fatores de expansão, razão de raízes e teores médio de carbono foram os menos indicados para a quantificação do elemento. A divulgação dos indicadores de biomassa e de teor de carbono torna a Nectandra grandiflora uma espécie potencial para programas de reflorestamentos e de restauração de ecossistemas

ESTOQUE DE BIOMASSA E CARBONO EM PASTAGENS CULTIVADAS NO NORTE DE RONDÔNIA

A substituição da vegetação natural da Floresta Amazônica por pastagens cultivadas é uma realidade há décadas. A hipótese que se estabelece neste estudo é que a substituição de floresta tropical por pastagens implica em balanço negativo de biomassa e carbono e emissões expressivas de GEE. Existem muitos estudos sobre biomassa e carbono estocados em floresta natural, porém poucos em pastagens cultivadas em Rondônia. Por isso, objetivou-se determinar os estoques de biomassa e de carbono na região. Vinte unidades amostrais de 1 m2 alocadas aleatoriamente em fazendas de pecuária manejadas com Urochloa brizantha nos municípios de Itapuã do Oeste e Cujubim foram instaladas. Toda a biomassa foi amostrada até a máxima profundidade das raízes no quadrilátero circunscrito. A biomassa fresca foi pesada e amostras de cerca de 1 kg foram coletadas para determinação da biomassa seca e do teor de carbono. O estoque de biomassa seca resultante foi de 18,90 Mg ha-1 em média, com desvio padrão de 11,03 Mg ha-1. O estoque de carbono teve média de 7,53 Mg ha-1 e desvio padrão de 4,58 Mg ha-1. O teor médio de carbono foi de 39,35%, com desvio padrão de 5,32%. Considerando o estoque de carbono na biomassa vegetal na floresta natural madura, de 180,00 Mg ha-1 (dado da literatura), pode-se concluir que houve perda de 172,47 MgC ha-1, o que corresponde a uma emissão líquida de 632,39 MgCO2eq ha-1 para a atmosfera. Esse é o impacto predito decorrente da substituição da floresta tropical por pastagens na região