Modelos isotópicos espaciais de nitrogênio do solo nos ecossistemas naturais da América do Sul

Abstract

O nitrogênio (N) é um elemento limitante da produção primária dos ecossistemas terrestres. Por isso, é importante entender os padrões de perdas de N ao longo dos ecossistemas. Medidas da razão isotópica de nitrogênio (δ 15N) no solo refletem os caminhos dominantes de entradas e saídas de N do sistema terrestre. A abordagem isotópica aparece como uma ferramenta que auxilia a modelagem de emissões e fluxos de N em modelos de balanço de massa. Para ser aplicado em modelos de ciclagem de N, o δ 15N do solo deve ser representado em modelos isotópicos espaciais (isoscapes). Além de serem fundamentais para modelos de ciclagem de N, isoscapes δ 15N do solo podem ser usadas em outras áreas, como antropologia, forense e ecologia de comunidades. Entretanto, isoscapes de δ 15N do solo disponíveis na escala global mascaram alguns padrões regionais do ciclo do N. Novas isoscapes em escala continental devem incorporar mais locais de amostragem e abordagens metodológicas que evidenciem as relações não lineares do δ 15N com as variáveis preditoras. Neste contexto, o objetivo desta tese de doutorado foi elaborar uma isoscape de δ 15N do solo em escala continental. A América do Sul foi escolhida como área modelo por apresentar grandes vazios amostrais em modelos globais anteriores e permitir a coleta de novas amostras. Posteriormente, a isoscape de δ 15N do solo foi testada em um modelo isotópico de balanço de massa para estimar as perdas de N por lixiviação e desnitrificação. No total foram consideradas 278 localidades ao longo de áreas naturais da América do Sul, com dados da literatura e novos dados de campo. Foram usadas variáveis preditoras para representar as condições pedológicas, climáticas e biológicas do ambiente. Além disso, os limites dos biomas e ecorregiões foram inseridos no modelo como variáveis discretas. Três algoritmos de machine learning foram testados para o modelo de δ 15N do solo: Cubist, Floresta Randômica (RF) e Stochastic Gradient Boosting (GBM). O melhor algoritmo foi escolhido com base na validação cruzada e aplicado na modelagem. Entre os modelos testados, a RF teve a melhor performance (R2 = 0,64). A análise de importância de variável mostrou que o tipo de bioma foi a principal variável para representar a variação espacial de δ 15N do solo, seguido por carbono orgânico do solo. A amplitude estimada foi de -2,0 ‰ a 14,3 ‰. Os maiores valores se concentraram nas regiões de clima semi-árido e os menores nas regiões mais frias. Os padrões representados na isoscape de δ 15N do solo se refletiram na variação espacial da proporção do N de entrada que se perde por vias gasosas (fgas). A região com maiores perdas relativas de N gasoso foi a de desertos e arbustos xéricos, seguida pelas florestas tropicais secas e florestas tropicais úmidas. As maiores perdas relativas por lixiviação ocorreram nos ecossistemas de florestas mistas temperadas, florestas de mediterrâneo e nos ecossistemas savânicos tropicais. A partir do modelo de fgas, foram incorporados modelos de entrada de N por fixação biológica de N (FBN) e deposição atmosférica para calcular os fluxos de perdas de N gasoso e por lixiviação. As estimativas de fluxo de N mostraram que 1,3 ± 1,1 g N m-2 ano-1 é perdido em média pelo processo de desnitrificação nos solos naturais do continente. Perdas por lixiviação foram de 2,5 ± 1,8 g N m-2 ano-1 . Foram estimados valores significativamente menores nas regiões das savanas tropicais e savanas e campos alagados da América do Sul em comparação aos modelos anteriores. Isso é reflexo do aumento da quantidade de pontos representando esses ecossistemas, visto que essas áreas foram sub-amostradas em estudos anteriores em escala global. As relações não-lineares e o uso de variáveis preditoras representando múltiplos fatores de estado dos ecossistemas evidenciaram padrões espaciais de δ 15N no solo coerentes com as observações empíricas, que ainda não haviam sido representados em modelos globais, principalmente das savanas tropicais.