Nitrogen mass balance in the Brazilian Amazon: an update / Balanço de massa do nitrogênio na Amazônia Brasileira: uma atualização

The main purpose of this study is to perform a nitrogen budget survey for the entire Brazilian Amazon region. The main inputs of nitrogen to the region are biological nitrogen fixation occurring in tropical forests (7.7 Tg.yr-1), and biological nitrogen fixation in agricultural lands mainly due to the cultivation of a large area with soybean, which is an important nitrogen-fixing crop (1.68 Tg.yr-1). The input due to the use of N fertilizers (0.48 Tg.yr-1) is still incipient compared to the other two inputs mentioned above. The major output flux is the riverine flux, equal to 2.80 Tg.yr-1 and export related to foodstuff, mainly the transport of soybean and beef to other parts of the country. The continuous population growth and high rate of urbanization may pose new threats to the nitrogen cycle of the region through the burning of fossil fuel and dumping of raw domestic sewage in rivers and streams of the region.

O principal objetivo deste estudo é realizar um balanço do nitrogênio em toda a Região Amazônica Brasileira. As principais entradas de nitrogênio na região foram a fixação biológica do nitrogênio que ocorre nas florestas tropicais (7,7 Tg.ano-1) e a fixação biológica do nitrogênio em terras agrícolas, que ocorre principalmente devido à existência de grandes áreas de cultivo de soja, uma importante cultura de fixação de nitrogênio (1,68 Tg.ano-1). A entrada em razão do uso de fertilizantes nitrogenados (0,48 Tg.ano-1) ainda é incipiente em comparação com aquelas duas outras entradas mencionadas. Os maiores fluxos de saída foram o fluxo fluvial, que foi igual a 2,80 Tg.ano-1, e a exportação relacionada aos gêneros alimentícios, principalmente a transferência de soja e carne para outras regiões do País. O contínuo crescimento populacional e as elevadas taxas de urbanização podem representar novas ameaças sobre o ciclo do nitrogênio da região por meio da queima de combustíveis fósseis e do despejo de esgoto doméstico nos rios e córregos da região.

Climate change in Brazil: perspective on the biogeochemistry of inland waters / Mudanças climáticas no Brasil: perspectiva sobre a biogeoquímica de águas interiores

Although only a small amount of the Earth's water exists as continental surface water bodies, this compartment plays an important role in the biogeochemical cycles connecting the land to the atmosphere. The territory of Brazil encompasses a dense river net and enormous number of shallow lakes. Human actions have been heavily influenced by the inland waters across the country. Both biodiversity and processes in the water are strongly driven by seasonal fluvial forces and/or precipitation. These macro drivers are sensitive to climate changes. In addition to their crucial importance to humans, inland waters are extremely rich ecosystems, harboring high biodiversity, promoting landscape equilibrium (connecting ecosystems, maintaining animal and plant flows in the landscape, and transferring mass, nutrients and inocula), and controlling regional climates through hydrological-cycle feedback. In this contribution, we describe the aquatic ecological responses to climate change in a conceptual perspective, and we then analyze the possible climate-change scenarios in different regions in Brazil. We also indentify some potential biogeochemical signals in running waters, natural lakes and man-made impoundments. The possible future changes in climate and aquatic ecosystems in Brazil are highly uncertain. Inland waters are pressured by local environmental changes because of land uses, landscape fragmentation, damming and diversion of water bodies, urbanization, wastewater load, and level of pollutants can alter biogeochemical patterns in inland waters over a shorter term than can climate changes. In fact, many intense environmental changes may enhance the effects of changes in climate. Therefore, the maintenance of key elements within the landscape and avoiding extreme perturbation in the systems are urgent to maintain the sustainability of Brazilian inland waters, in order to prevent more catastrophic future events.

Embora apenas uma pequena quantidade de água da Terra esteja reservada em corpos d'água da superfície continental, esses ambientes desempenham papel importante nos ciclos biogeoquímicos, conectando a superfície à atmosfera. O território brasileiro é recortado por uma densa rede fluvial e exibe um enorme número de lagos rasos. Impactos de natureza humana têm sido intensos modificadores de ecossistemas límnicos. A biodiversidade e os processos ecossistêmicos são fortemente modulados por forças sazonais fluvial e/ou precipitação. Essas macroforçantes ecológicas respondem às mudanças climáticas. As águas interiores são ecossistemas com elevada biodiversidade, promovem transferências de energia dentro da paisagem, conectando os ecossistemas, e atuam na manutenção de fluxos de matérias - animais, vegetais, nutrientes e inóculos. Esses ecossistemas controlam o clima numa escala regional. Neste capítulo, são descritas algumas respostas dos ecossistemas aquáticos às alterações climáticas, tanto conceitualmente como analisando os possíveis cenários de mudanças climáticas em diferentes regiões no Brasil. Potenciais sinais biogeoquímicos em diferentes ecossistemas límnicos brasileiros foram identificados. Os ecossistemas límnicos são pressionados pelas atividades do uso do solo, pela fragmentação da paisagem, pelo represamento e pelo desvio de rios, pela urbanização, pela carga de águas residuais e do nível de poluentes. Essas ações perturbadoras podem alterar os padrões biogeoquímicos nas águas interiores numa escala temporal mais curta quando comparada às mudanças climáticas. A manutenção da sustentabilidade das ecossistemas aquáticos brasileiros é urgente de modo a prevenir futuros eventos catastróficos.

Nitrogen mass balance in the Brazilian Amazon: an update

The main purpose of this study is to perform a nitrogen budget survey for the entire Brazilian Amazon region. The main inputs of nitrogen to the region are biological nitrogen fixation occurring in tropical forests (7.7 Tg.yr-1), and biological nitrogen fixation in agricultural lands mainly due to the cultivation of a large area with soybean, which is an important nitrogen-fixing crop (1.68 Tg.yr-1). The input due to the use of N fertilizers (0.48 Tg.yr-1) is still incipient compared to the other two inputs mentioned above. The major output flux is the riverine flux, equal to 2.80 Tg.yr-1 and export related to foodstuff, mainly the transport of soybean and beef to other parts of the country. The continuous population growth and high rate of urbanization may pose new threats to the nitrogen cycle of the region through the burning of fossil fuel and dumping of raw domestic sewage in rivers and streams of the region.

O principal objetivo deste estudo é realizar um balanço do nitrogênio em toda a Região Amazônica Brasileira. As principais entradas de nitrogênio na região foram a fixação biológica do nitrogênio que ocorre nas florestas tropicais (7,7 Tg.ano-1) e a fixação biológica do nitrogênio em terras agrícolas, que ocorre principalmente devido à existência de grandes áreas de cultivo de soja, uma importante cultura de fixação de nitrogênio (1,68 Tg.ano-1). A entrada em razão do uso de fertilizantes nitrogenados (0,48 Tg.ano-1) ainda é incipiente em comparação com aquelas duas outras entradas mencionadas. Os maiores fluxos de saída foram o fluxo fluvial, que foi igual a 2,80 Tg.ano-1, e a exportação relacionada aos gêneros alimentícios, principalmente a transferência de soja e carne para outras regiões do País. O contínuo crescimento populacional e as elevadas taxas de urbanização podem representar novas ameaças sobre o ciclo do nitrogênio da região por meio da queima de combustíveis fósseis e do despejo de esgoto doméstico nos rios e córregos da região.

Climate change in Brazil: perspective on the biogeochemistry of inland waters

Although only a small amount of the Earth's water exists as continental surface water bodies, this compartment plays an important role in the biogeochemical cycles connecting the land to the atmosphere. The territory of Brazil encompasses a dense river net and enormous number of shallow lakes. Human actions have been heavily influenced by the inland waters across the country. Both biodiversity and processes in the water are strongly driven by seasonal fluvial forces and/or precipitation. These macro drivers are sensitive to climate changes. In addition to their crucial importance to humans, inland waters are extremely rich ecosystems, harboring high biodiversity, promoting landscape equilibrium (connecting ecosystems, maintaining animal and plant flows in the landscape, and transferring mass, nutrients and inocula), and controlling regional climates through hydrological-cycle feedback. In this contribution, we describe the aquatic ecological responses to climate change in a conceptual perspective, and we then analyze the possible climate-change scenarios in different regions in Brazil. We also indentify some potential biogeochemical signals in running waters, natural lakes and man-made impoundments. The possible future changes in climate and aquatic ecosystems in Brazil are highly uncertain. Inland waters are pressured by local environmental changes because of land uses, landscape fragmentation, damming and diversion of water bodies, urbanization, wastewater load, and level of pollutants can alter biogeochemical patterns in inland waters over a shorter term than can climate changes. In fact, many intense environmental changes may enhance the effects of changes in climate. Therefore, the maintenance of key elements within the landscape and avoiding extreme perturbation in the systems are urgent to maintain the sustainability of Brazilian inland waters, in order to prevent more catastrophic future events.

Embora apenas uma pequena quantidade de água da Terra esteja reservada em corpos d'água da superfície continental, esses ambientes desempenham papel importante nos ciclos biogeoquímicos, conectando a superfície à atmosfera. O território brasileiro é recortado por uma densa rede fluvial e exibe um enorme número de lagos rasos. Impactos de natureza humana têm sido intensos modificadores de ecossistemas límnicos. A biodiversidade e os processos ecossistêmicos são fortemente modulados por forças sazonais fluvial e/ou precipitação. Essas macroforçantes ecológicas respondem às mudanças climáticas. As águas interiores são ecossistemas com elevada biodiversidade, promovem transferências de energia dentro da paisagem, conectando os ecossistemas, e atuam na manutenção de fluxos de matérias - animais, vegetais, nutrientes e inóculos. Esses ecossistemas controlam o clima numa escala regional. Neste capítulo, são descritas algumas respostas dos ecossistemas aquáticos às alterações climáticas, tanto conceitualmente como analisando os possíveis cenários de mudanças climáticas em diferentes regiões no Brasil. Potenciais sinais biogeoquímicos em diferentes ecossistemas límnicos brasileiros foram identificados. Os ecossistemas límnicos são pressionados pelas atividades do uso do solo, pela fragmentação da paisagem, pelo represamento e pelo desvio de rios, pela urbanização, pela carga de águas residuais e do nível de poluentes. Essas ações perturbadoras podem alterar os padrões biogeoquímicos nas águas interiores numa escala temporal mais curta quando comparada às mudanças climáticas. A manutenção da sustentabilidade das ecossistemas aquáticos brasileiros é urgente de modo a prevenir futuros eventos catastróficos.

Dissolved nitrogen in rivers: comparing pristine and impacted regions of Brazil

Riverine nitrogen distribution is increasingly controlled by anthropogenic activities in their watersheds, regardless of spatial scale, climate, and geographical zone. Consequently, modelling efforts to predict the export of nitrogen from rivers worldwide have used attributes such as population density, land use, urbanization and sanitation. These models have greatly enhanced our understanding of the sources and fate of nitrogen added to terrestrial systems and transported to rivers and streams, especially for developed countries of the North temperate zone. However, much of the world's population lives in developing countries of the tropics, where the effects of human activities on riverine N exports are still poorly understood. In an effort to close this gap, we compare riverine nitrogen data from 32 Brazilian rivers draining two contrasting regions in this tropical country in terms of economic development - the State of São Paulo and the Amazon. Our data include nitrogen in different dissolved forms, such as Dissolved Inorganic Nitrogen (DIN) and Dissolved Organic Nitrogen (DON). The results show that nitrogen concentrations decreased as river runoff increased in both study areas, and that concentrations were significantly higher in rivers draining the most economically developed region. The relationships between nitrogen concentrations and fluxes with demographic parameters such as population density were also determined and compared to those in temperate systems. In contrast to temperate watersheds, we found that nitrogen fluxes increased only after population densities were higher than 10 individuals per km².

A carga do nitrogênio em rios é cada vez mais controlada por atividades humanas independentemente da escala espacial, do clima, ou da região geográfica. Consequentemente, esforços de modelagem que predizem exportação de nitrogênio usam atributos que refletem atividades humanas, tais quais, densidade populacional, uso do solo, urbanização e saneamento ambiental. Estes modelos têm aumentado significativamente nosso entendimento sobre as fontes e destino do nitrogênio adicionado ao sistema terrestre e transportado aos sistemas aquáticos, especialmente em países desenvolvidos localizados no Hemisfério Norte. Entretanto, a maioria da população mundial vive em países em desenvolvimento dos trópicos, onde os efeitos das atividades humanas sobre a carga de nitrogênio nos rios são pobremente entendidos. Em um esforço para aumentar nossa compreensão sobre este fenômeno, comparamos a distribuição de nitrogênio dissolvido em 32 rios brasileiros, drenando duas regiões contrastantes em termos de desenvolvimento econômico - rios do Estado de São Paulo e da região Amazônica. Nossos dados incluem nitrogênio em duas formas dissolvidas: inorgânica (NID) e orgânica (NOD). Os resultados mostraram que, em ambas as áreas de estudo, a concentração de nitrogênio decresceu com o volume de água dos rios e as concentrações mais elevadas foram encontradas na região economicamente mais desenvolvida. A correlação entre as concentrações e fluxos de nitrogênio com parâmetros demográficos tais quais densidade de população demonstraram que o fluxo de nitrogênio aumenta somente após a densidade populacional atingir 10 indivíduos por km².