Biogeochemical cycling in terrestrial ecosystems of the Caatinga Biome

ABSTRACT

The biogeochemical cycles of C, N, P and water, the impacts of land use in the stocks and flows of these elements and how they can affect the structure and functioning of Caatinga were reviewed. About half of this biome is still covered by native secondary vegetation. Soils are deficient in nutrients, especially N and P. Average concentrations of total soil P and C in the top layer (0-20 cm) are 196 mg kg-1 and 9.3 g kg-1, corresponding to C stocks around 23 Mg ha-1. Aboveground biomass of native vegetation varies from 30 to 50 Mg ha-1, and average root biomass from 3 to 12 Mg ha-1. Average annual productivities and biomass accumulation in different land use systems vary from 1 to 7 Mg ha-1 year-1. Biological atmospheric N2 fixation is estimated to vary from 3 to 11 kg N ha-1 year-1and 21 to 26 kg N ha-1 year-1 in mature and secondary Caatinga, respectively. The main processes responsible for nutrient and water losses are fire, soil erosion, runoff and harvest of crops and animal products. Projected climate changes in the future point to higher temperatures and rainfall decreases. In face of the high intrinsic variability, actions to increase sustainability should improve resilience and stability of the ecosystems. Land use systems based on perennial species, as opposed to annual species, may be more stable and resilient, thus more adequate to face future potential increases in climate variability. Long-term studies to investigate the potential of the native biodiversity or adapted exotic species to design sustainable land use systems should be encouraged.

RESUMO

Os ciclos biogeoquímicos de C, N, P e água, os impactos das mudanças do uso da terra nos estoques e fluxos destes elementos e como estas mudanças podem afetar a estrutura e o funcionamento da Caatinga foram revisados. Cerca da metade desse Bioma ainda é coberta por vegetação nativa secundária. Os solos são deficientes em nutrientes, principalmente N e P. A concentração média, na camada superficial (0-20 cm), de P total é 196 mg kg-1, e a de C é 9.3 g kg-1, correspondendo a estoques médios em torno de 23 Mg ha-1 de carbono. A biomassa aérea da vegetação varia entre 30 a 50 Mg ha-1, e a biomassa radicular entre 3 a 12 Mg ha-1. As produtividades e acumulações anuais de biomassa nos diferentes usos da terra variam de 1 a 7 Mg ha-1. A fixação biológica de N2 atmosférico é estimada em 3 a 11 kg N ha-1 ano-1 e 21 a 26 kg N ha-1 ano-1 em Caatinga madura e em regeneração, respectivamente. Os principais processos de perda de nutrientes e água são queimadas, erosão do solo, escoamento e colheita de cultivos e produtos animais. As mudanças climáticas projetadas indicam maiores temperaturas e menores precipitações. Considerando a alta variabilidade intrínseca, ações para aumentar a sustentabilidade deveriam melhorar a resiliência e a estabilidade dos ecossistemas. Sistemas de uso da terra baseados em espécies perenes, em contraposição a anuais, devem ser mais estáveis e resilientes, portanto mais adequados para enfrentar os potenciais aumentos na variabilidade climática. Estudos de longa duração para avaliar o potencial da biodiversidade nativa ou de exóticas adaptadas no delineamento de sistemas de uso sustentáveis deveriam ser encorajados.