Análise multi-proxy (13C/12C, C/N e fitólitos) em solos da planície fluvial do rio Pardo

Autores

Celarino, A.L.S. (UNICAMP) ; Ladeira, F.S.B. (UNICAMP)

Resumo

Solos das planícies fluviais da bacia do rio Pardo foram estudados quanto às suas assembleias fitolíticas e isótopos estáveis de C e N. Foram analisados 3 perfis onde, além das análises já citadas, foram realizadas datações por 14C e LOE. Os resultados apontaram para valores mais enriquecidos de 13C nas amostras entre o Pleistoceno Tardio e Holoceno Médio, já nos horizontes superiores há um empobrecimento dos valores indicando uma mistura entre plantas C3 e C4, típicas de uma vegetação mais fechada que evolui num clima mais quente e úmido. Os valores de C/N apontaram para uma influência bastante significativa da matéria orgânica oriunda de fitoplâncton, mesma tendência foi verificada pelos valores de 15N. Os fitólitos revelaram, para os perfis analisados, predomínio de gramíneas sobre as dicotiledôneas para as amostras mais antigas que o Holoceno Médio, já a vegetação atual revela uma fitofisionomia dominada por árvores e palmeiras, tendência confirmada por um dos perfis analisados.

Palavras chaves

Fitólitos; Rio Pardo; Isótopos Estáveis

Introdução

Muitos trabalhos têm sido produzidos com enfoque na evolução de paleoclimas quaternários através de sedimentos em lagoas, solos, mangues e turfeiras (CALEGARI et al., 2013; SMITH et al., 2012; STINCHCOMB et al., 2013; FRANÇA et al., 2013; entre outros). No entanto, trabalhos que utilizaram fitólitos como biondicadores só foram publicados após os primeiros trabalhos de Sendulsky e Labouriau (1966), Campos e Labouriau (1969), Silva e Labouriau (1970), Sondahl e Labouriau (1970) e Figueiredo e Handro (1971) em espécies de gramíneas do Cerrado brasileiro. Fitólitos resultam de processos biológicos e físicos pelos quais as plantas depositam sílica insolúvel (SiO2.nH2O) dentro ou fora das células dos tecidos vegetais, após absorver sílica solúvel (H4SiO4) disponível nos solos (PIPERNO, 2006). Em função de serem partículas inorgânicas, fitólitos podem ser bem preservados por longos períodos de tempo e são considerados os fósseis de plantas mais resistentes conhecidos pela ciência (PIPERNO, 2006). A produção e o desenvolvimento dos tipos de fitólitos (morfotipos) nas plantas dependem de vários fatores climáticos e ambientais, entre eles a origem e a disponibilidade hídrica do solo, a idade da planta e a afinidade taxonômica, pois nem todas as plantas são produtoras. Alguns morfotipos são específicos de algumas famílias e subfamílias de plantas que quando preservados permitem a identificação daquelas que os produziram e, portanto, permitem a interpretação da vegetação predominante em um determinado local e tempo (PIPERNO, 2006, LORENTE et al., 2015). A identificação dos fitólitos geralmente é uma técnica complementar às análises isotópicas da matéria orgânica do solo (M.O.S). Tal análise permite interpretar possíveis trocas de vegetação ao longo do tempo através da identificação do ciclo fotossintético das plantas C3 (árvores e arbustos) e C4 (gramíneas). Porém, como também existem gramíneas de ciclo C3 (TWISS, 1992; CALLEGARI, 2008; FREDLUND e TIEZEN, 1994), a interpretação da assembleia fitolítica é essencial na distinção daqueles morfotipos de uma dicotiledônea (C3) e de uma Poaceae (C3 ou C4), por isso as duas técnicas são complementares. A bacia do rio Pardo, área de estudo deste trabalho, drena uma área de complexa configuração geomorfológica e geológica, as regiões mais altas escoam por cinturões orogênicos enquanto aquelas mais baixas escoam por bacias sedimentares em extensas planícies, podendo, portanto, ser classificada como uma bacia de drenagem mista (LATRUBESSE et al., 2005). No estado de São Paulo o rio Pardo é um dos mais importantes (2ª maior vazão entre todos os rios estaduais) tanto do ponto de vista ecológico quanto econômico, contudo, apesar de sua relevância no contexto regional, foi muito pouco estudado. Existe uma vasta produção científica que discute mudanças climáticas do período Quaternário, muitas delas apontam para um determinado padrão nas oscilações onde a tendência após a última glaciação no Pleistoceno é de um clima mais quente e úmido no Holoceno. Porém, numa área grande como o território brasileiro, é possível encontrar expressões de paleoclimas diferentes, por exemplo, a região Sul ainda preservava vastas áreas com vegetação de campos até o Holoceno médio (BEHLING, 2002), indicando que o clima ali ainda era frio seco, em contraste com outras localidades. Neste contexto, o uso em conjunto de análises isotópicas (13C, 15N e C/N), datações por 14C/LOE (Luminescência Oticamente Estimulada) e a análise da assembleia fitolítica em diferentes unidades geomorfológicas da bacia do Rio Pardo é uma ferramenta essencial na interpretação paleoclimática regional.

Material e métodos

Razão Ctotal/Ntotal e isótopos de 13C e 15N A composição de δ13C da matéria orgânica reflete a dinâmica da assimilação do carbono pela vegetação, plantas de ciclo C4 (gramíneas) discriminam menos o 13C em relação ao 12C (valores entre -9 e -17‰), enquanto plantas de ciclo C3 (essencialmente árvores) possuem valores entre -21 e -32‰ (LAMB et al., 2006). Com relação ao δ15N, Meyers (1997) aponta que nas algas, o valor de 15N em NO3 dissolvido é entre 7- 10‰ maior que o N2 derivado da atmosfera, que é a forma fixada pelas plantas terrestres (aproximadamente 0‰) (MEYERS, 1997; AMORIM et al., 2009). A relação Ctotal/Ntotal também determina a origem da M.O, segundo Meyers (1997), fitoplânctons apresentam valores entre 4 e 10, enquanto plantas vasculares terrestres apresentam valores acima de 20. Serão apresentados dados de 3 perfis, as análises foram feitas no Laboratório de Isótopos Estáveis - CENA/USP e os resultados serão reportados em gramas por kilo (g/kg), a análise isotópica será expressa em δ(‰) em relação ao padrão internacional PDB com precisão de ± 0,2‰ (PESSENDA et al., 2010). Datação por 14C Foram enviadas 2 amostras ao Laboratório Beta Analytic (Miami-FL-EUA) para a datação por 14C por AMS (Accelerator Mass Spectrometer). As idades obtidas foram corrigidas em função do fracionamento isotópico para δ13C de -25‰ (VPDB) e apresentadas em anos antes do presente e calibradas (2σ) seguindo os procedimentos previstos em Talma e Vogel (1993). Luminescência ópticamente estimulada (LOE) Foram coletadas 2 amostras em um perfil para a datação por luminescência ópticamente estimulada (LOE). Esta técnica estima a última vez que o mineral recebeu luz solar por 16hs, ou seja, é um marcador do momento em que ele foi soterrado. Após serem enterrados, os sedimentos passam a absorver radiação ionizante (U, K, Th e Rb) e raios cósmicos, esse “sinal” é acumulado na estrutura cristalina do mineral e só pode ser apagado quando exposto novamente à luz solar (RITTENOUR, 2008). As doses acumuladas foram determinadas pelo método de regeneração total (protocolo SAR com 15 alíquotas), as doses anuais foram calculadas com auxílio de um espectrômetro que mediu as concentrações de 40K, 232Th, 238U e 235U (TATUMI et al., 2003; FERREIRA e CAETANO-CHANG, 2008; MAGALHÃES JUNIOR et al., 2011). Extração de Fitólitos Foram selecionadas 4 amostras para a extração e identificação de fitólitos em 3 perfis analisados. Para a extração dos fitólitos foram empregados os procedimentos de remoção da M.O e dos recobrimentos de oxi-hidróxidos de ferro e alumínio (CALEGARI, 2008). A separação dos fitólitos foi realizada usando politungstato de sódio (Na6(H2W12O40)H2O) com densidade de 2.35 g.cm3 (MADELLA et al., 1998). Utilizou-se a nomenclatura apresentada por Madella et al. (2005), onde os nomes foram mantidos em inglês para facilitar a comparação com outros trabalhos. Os morfotipos foram agrupados de acordo com a significância taxonômica (TWISS et al., 1969; TWISS, 1992; FREDLUND e TIESZEN, 1994; ALEXANDRE et al., 1999; BARBONI et al., 1999; BREMOND et al., 2005; PIPERNO, 2006): Com o objetivo de caracterizar a cobertura vegetal nas diferentes amostras, alguns índices foram calculados para auxiliar a interpretação. O Iph mensura a proporção de Chloridoideae entre as Poaceae C4 (TWISS, 1992). Índices próximos a 100 indicam ambiente árido com vegetação predominante de campos e pradarias, valores baixos indicariam ambiente quente e úmido com predomínio de gramíneas altas (MACEDO, 2013). O Ic é a proporção de gramíneas C3 em relação às Poaceae, altos valores indicam climas frios, ao contrário, baixos valores indicam clima quente e úmido a árido (TWISS, 1992). O D/P estima a densidade da cobertura arbórea (ALEXANDRE et al., 1997). Em amostras modernas, o valor 7 foi atribuído para floresta subcaducifólia no Congo e valores menores que 1 caracterizam savanas no Senegal (ALEXANDRE et al., 1997).

Resultado e discussão

Neste trabalho serão apresentados os resultados dos perfis P1, P12 e P13 (Figura 1). Figura 1: Localização dos pontos. Alto Pardo – Perfil 1 (P1) O P1 foi analisado numa área onde a cobertura vegetal natural compõe uma área de transição entre espécies de floresta estacional e floresta ombrófila mista (IBGE, 2004) Figura 2: Relação C/N, 15N, 13C, Ctotal e abundância de fitólitos no perfil 1. Os valores de Ctotal/Ntotal variaram entre 9 e 14, sendo que os maiores valores se encontram nas porções inferiores do perfil. São indicativos de uma preponderância de algas e fitoplancton sobre as plantas vasculares, tendência confirmada pelos valores de 15N (entre 3,72 e 8,47). Com relação ao 13C observa-se que os índices variam de -21,69 a 20,42 de 250cm a 160cm, mudando para valores mais empobrecidos entre 160 e 0cm onde houve uma variação de -21,47 a -23.62‰. Há uma predominância de plantas C3 no topo do perfil e valores mais enriquecidos na base, indicando uma mistura da matéria orgânica oriunda de plantas C3 e C4. Na assembleia fitolítica percebe-se que no horizonte enterrado 2A predominam os morfotipos de Poaceae (61%), com destaque para os elongate (34%), panicoideae (11%) (Bilobates e Cross), representativos de gramíneas C4, e 8% de Pooideae (gramíneas C3). O Iph (12%) é típico de um ambiente úmido, porém com predomínio de gramíneas altas numa vegetação mais aberta do que a que ocupa a área atualmente. O Ic de 37,5% indica um clima mais ameno, corroborando com os índices encontrados por Barboni et al. (1999) para floresta ripariana (36%) e depósitos finos em planície fluvial (30%) na África. O baixo índice D/P (0.5) também indica uma vegetação mais aberta, semelhante às savanas estudadas por Alexandre et al., 1997. O horizonte 2A foi datado entre 17.130 e 16.865 cal anos AP, ou seja, muito próximo ao último máximo glacial de 18.000 AP. Fato este confirmado pela assembleia fitolítica identificada, composta por gramíneas e índices de δ13C ligeiramente mais enriquecidos que nos horizontes superiores, num clima mais ameno e bem menos úmido do que o atual, típico de uma vegetação mais aberta. O horizonte Bg1 (fácie Sm) mostra características distintas. Os morfotipos de dicotiledôneas são predominantes (55%), com grande participação de Panicoideae (12%) e Elongate (20%) entre as Poaceae (43%). Portanto, uma mudança para uma vegetação mais arbórea com um aumento de umidade e colonização da área por plantas de maior porte, como também confirma os índices de δ13C, que variam de -20,4 para -23,6‰ no topo do perfil. Os índices Iph, Ic e D/P também mostraram essa transição para um clima mais úmido. O D/P foi de 1.3, já mostrando predomínio de espécies arbustivas/arbóreas sobre as gramíneas. O Ic foi de 27.8, menor que o horizonte enterrado 2A, com características mais próximas ao clima atual. O Iph apresentou valor de 7.6, expressivamente menor que o horizonte 2A do mesmo perfil, o que demonstra aumento da umidade. Perfil 12 (P12) – Depósitos de canal e diques marginais A vegetação natural é composta por espécies de floresta estacional semidecídua, ou seja, são adaptadas a dois períodos bem marcados, um chuvoso e outro seco com temperaturas anuais médias de 21°C (IBGE, 2004). A figura 3 apresenta o P12 em detalhe. Figura 3: Relação C/N, 15N, 13C, Ctotal e abundância de fitólitos no perfil 12. Os valores da razão C/N variam entre 8,57 a 57, sendo um deles extremamente alto (572) devido à baixa concentração de nitrogênio. Essa mesma amostra coletada a 180cm de profundidade apresentou altos valores de Ctotal (17g/kg) e valores enriquecidos de δ13C (-14,21‰). De 190cm de profundidade ao topo do perfil os valores de δ13C variaram entre -18,89 e -22,50‰, indicando empobrecimento isotópico de baixo para cima e uma mistura de plantas de ciclo C3 e C4, com aumento da participação de C3 em direção ao topo, o que reflete inclusive a vegetação típica de cerrado da região. Os valores de 15N variaram entre 7,5 e 15, considerados típicos da matéria orgânica gerada por fitoplâncton, o mesmo acontece com os valores de C/N, onde apenas duas amostras apresentaram razões acima de 20. A assembleia fitolítica apresentou predomínio das Poaceae (72%) sendo os morfotipos Elongate (30%), e as subfamílias Panicoideae (22%) e Pooideae (15%) os mais expressivos. Palmeiras (Arecaceae), dicotiledôneas e Araucárias (araucariaceae) apareceram com 12, 15 e 1%, respectivamente. Importante destacar a significativa porcentagem de palmeiras (12%) e a predominância dos morfotipos de Panicoideae em detrimento das Pooideae, que indica um clima com estações secas e úmidas bem marcadas, evidenciando uma mistura de vegetação típica dos cerrados. A datação por 14C apresentou idade de 5985 a 5970 Cal anos AP, a grande porcentagem de gramíneas está provavelmente ligada a uma clima mais ameno que o atual numa vegetação mais aberta, no entanto, a presença de palmeiras indica condições úmidas para o local. Os índices climáticos também apontaram para um clima mais frio e seco que o atual, principalmente em relação ao baixo índice de cobertura arbórea (0,2). O Iph (8.2) indica condições onde há predomínio de Poaceae mesófilas (Panicoideae) em um clima mais úmido do que na vegetação de campo, onde os valores são mais altos (CALEGARI, 2008). Nas amostras superiores há um empobrecimento isotópico, relacionado ao estabelecimento de uma vegetação mais fechada, onde há uma mistura entre plantas C3 e C4, mesma interpretação chegaram os trabalhos de Behling e Lichte (1997), Behling (2002), Pessenda et al. (2004), Pessenda et al. (2005), Calegari et al. 2013. Perfil 13 (P13) – Foz do rio Araraquara A vegetação local foi bastante alterada pela cultura da cana de açúcar, no entanto, a fitofisionomia original da área é a savana gramíneo-lenhosa, que inclui várias formações campestres onde alternam-se também pequenas árvores isoladas, principalmente ao longo dos canais fluviais (IBGE, 2004). A figura 4 apresenta as principais características do perfil 13 Figura 4: Relação C/N, 15N, 13C, Ctotal e abundância de fitólitos no perfil 13. Os valores de C/N variaram entre 13,5 e 86,62, demonstrando que a M.O neste perfil tem origem predominante de plantas vasculares terrestres. Com relação aos valores de 15N (1,31 a 7,83‰), o menor valor encontrado ocorreu no horizonte 3A, corroborando com a análise de C/N e confirmando que a matéria orgânica deste horizonte A enterrado é oriunda de plantas terrestres. Os valores de δ13C apontaram para uma predominância de plantas C4 nos horizontes A e 3A (-15,43 e -14,51‰). O horizonte 3A pode marcar um período entre 35.900 e 15.940 anos atrás, onde a aridez somada a eventos de aumento repentino de vazão do canal propiciaram a formação de um perfil onde fossem intercalados momentos de deposição em barras laterais e momentos mais úmidos de acúmulo de M.O. Com relação aos fitólitos identificados entre 90-130cm de profundidade, observou-se o predomínio das Poaceae (80%) em detrimento das dicotiledôneas (9%), além de forte participação das gramíneas C4 panicoideae (11%). No entanto, 11% dos fitólitos identificados não puderam ser classificados, tal informação reflete a própria alteração e dissolução dos fitólitos in situ, como, por exemplo, pH baixo ou elevada idade da amostra (PAROLIN et al., 2014). Dentre os morfotipos de gramíneas identificados destacam-se os elongate (54%), Panicoideae (11%), Bulliform (9%) e Pooideae (6%). Além disso, a maior presença de Bulliform pode sugerir uma condição de stress hídrico (BREMOND et al., 2005), o que corrobora com as datações realizadas nesse perfil, que o situaram no Pleistoceno tardio (BEHLING, 2002; LEDRU et al., 2005). O índice climático (Ic) encontrado foi de 34.1, o que corrobora com o valor encontrado por Barboni et al. (1999) para vegetação típica de planícies fluviais e de florestas riparianas. O índice de cobertura arbórea (0.1) sugere um ambiente com amplo domínio das gramíneas sobre árvores e arbustos.

Localização dos pontos.


Relação C/N, 15N, 13C, Ctotal e abundância de fitólitos no perfil 1.


Relação C/N, 15N, 13C, Ctotal e abundância de fitólitos no perfil 12.


Relação C/N, 15N, 13C, Ctotal e abundância de fitólitos no perfil 13.

Considerações Finais

Os índices de δ13C responderam a variações entre misturas de plantas C3 e C4 com tendência a um empobrecimento isotópico nos horizontes superiores, o que corrobora com as variações climáticas conhecidas para o Holoceno e Pleistoceno tardio. Com relação aos resultados de C/N observou-se que a maioria das amostras teve influência da matéria orgânica de algas. Tais dados são coerentes com a estimativa feita por Martinelli et al. (2003), onde 36% do carbono orgânico presente nos sedimentos da planície fluvial do rio Solimões tinha origem in situ e que 64% era provido pelo carbono orgânico particulado. Os dados de δ15N revelaram tendência semelhante à análise de C/N. No entanto, segundo Meyers (1997) os valores de δ15N podem ser maiores quando influenciados por entradas de 15N oriundos de atividades antrópicas, entre elas esgoto e resíduos orgânicos descartados em atividades agrícolas, além disso, o processo de desnitrificação de nitrogênio inorgânico dissolvido em ambiente anóxico também pode favorecer maiores valores. Quanto à análise dos fitólitos, observou-se que de maneira geral as amostras mais antigas, entre Pleistoceno Tardio e Holoceno médio, indicaram um clima mais ameno que o atual, com predomínio de gramíneas sobre os morfotipos de Palmeiras e dicotiledôneas, em contraste com a vegetação natural atual que compõe uma transição entre florestas estacionais e algumas áreas menores de cerrado, onde a paisagem é dominada por dicotiledôneas e Palmeiras.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo financiamento do projeto de pesquisa de doutorado através do processo n° 2011/00261-3. O segundo autor agradece a Bolsa de Produtividade em Pesquisa CNPq.

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