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Title: Carbon budget in a temperate estuary salt marsh. Influence of temperature increase in carbon sequestration
Authors: Couto, Thiago Drumond Teixeira Correia 
Orientador: Marques, João Carlos
Caçador, Isabel
Keywords: Sequestro de carbono em sapal; Influência do aumento da temperatura no acúmulo de carbono
Issue Date: 9-Apr-2014
Citation: COUTO, Thiago Drumond Teixeira Correia - Carbon budget in a temperate estuary salt marsh : influence of temperature increase in carbon sequestration. Coimbra : [s.n.], 2013. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/24451
Abstract: Devido ao aumento do uso de combustíveis fósseis pelo homem desde que começou a atividade industrial, o mundo tem sofrido com o aumento do CO2 atmosférico e com o aumento da temperatura. Zonas húmidas costeiras, como os sapais são excelentes acumuladores de carbono, pois retiram CO2 da atmosfera, que se acumula nos tecidos das plantas. Modelos ecológicos têm sido utilizados para tentar entender quais os resultados de impactos antropogénicos numa escala global. O aquecimento global pode ameaçar áreas de sapal nomeadamente, por exemplo, através do aumento do nível do mar. O presente trabalho, realizado no sapal do estuário do rio Mondego, localizado na costa Atlântica de Portugal, teve os seguintes objetivos principais: 1. Comparar mudanças sazonais e funções associadas aos diferentes mecanismos fotossintéticos de três espécies de plantas de sapal (Scirpus maritimus, Spartina maritima and Zostera noltii) no estuário do Mondego e avaliar as implicações na sua capacidade de acumular carbono. 2. Com recurso à análise dos isótopos estáveis de carbono, avaliar as concentrações de carbono no sedimento, assim como em folhas, caules e raízes de três espécies de plantas de sapal do estuário do Mondego, considerando suas diferenças metabólicas, e olhando para tecidos e sedimento como diferentes compartimentos, com distintas capacidades para armazenar carbono. 3. Avaliar, através de um modelo, como o aumento da temperatura influencia o crescimento vegetal e quais os feitos com respeito ao armazenamento de carbono nos tecidos foliares das três espécies de plantas selecionadas. Simultaneamente, avaliar se a taxa de sedimentação nas áreas ocupadas por cada espécie conseguirá acompanhar a subida do nível do mar. Em função destes objetivos, a tese foi estruturada em três capítulos, sendo os principais resultados referidos a seguir de forma sucinta. No tocante ao capítulo 1 - Use of PSII photochemistry to evaluate salt marsh plants carbon storage in a temperate Atlantic estuary - o trabalho desenvolvido permitiu verificar que os valores de biomassa radicular foram maiores do que os valores foliares e do caule juntos, ocorrendo geralmente os valores mais altos nas estações mais quentes, com os valores de carbono e pigmentos a seguirem a mesma tendência. Spartina martima mostrou altos valores de atividade do fotossistema II (PSII) máximo e operacional e também altos valores de rETR (taxa relativa de transporte de eletrões) durante a maior parte do ano. Scirpus maritimus mostrou altos valores de sequestro de carbono apenas numa janela temporal reduzida, enquanto as características fotoquímicas de Spartina maritima e Zostera noltii permitem que estas espécies absorvam carbono ao longo de todo o ano. No tocante ao capítulo 2 - Salt marsh plants carbon storage in a temperate Atlantic estuary illustrated by a stable isotopic analysis based approach - os resultados obtidos permitiram verificar que as proporções de carbono variaram de 27 a 39%, em S. maritimus e S. Maritima, e entre 30 e 39% em Z. noltii. S. maritimus teve a maior produção de carbono nas folhas e caule, sendo os valores similares aos obtidos para S. maritima no que diz respeita à produção radicular. As três espécies juntas ocupam aproximadamente 50% da área de sapal, o que corresponde a 29.77 ha, e acumularam 24000 Kg de carbono em seus tecidos em 21 meses de estudo. A área ocupada por Z. noltii apresentou a maior concentração de carbono no sedimento e S. maritimus a menor. A análise dos isótopos de carbono mostraram que aparentemente, a matéria orgânica presente no sedimento é composta por uma mistura de fontes terrestres, macro e microalgas. Apesar dos altos valores de exportação de carbono, S. maritima e Z. noltii acumulam carbono de forma constante ao longo do tempo. As espécies estudadas comportaram-se simultaneamente como acumuladores e fontes de carbono. Finalmente, no capítulo 3 - Modelling the effects of global temperature increase on the growth of salt marsh plants - apresentam-se os resultados relativos à utilização de um modelo para simular os processos de crescimento em espécies de plantas C3 e C4. O modelo foi calibrado com dados fornecidos pelo trabalho de terreno, tendo as simulações efetuadas no que respeita à variação de biomassa sido consistentes com as observações no terreno. Num cenário de aumento de temperatura, deverá esperar-se um aumento da biomassa do caule e foliar em relação à observada com a temperatura atual, nomeadamente em S. maritimus. A taxa de sedimentação das áreas ocupadas por S. maritima e Z. noltii será, previsivelmente, capaz de acompanhar a subida do nível do mar, não sendo expectável que o mesmo se verifique em relação à área coberta por S. maritimus. Um eventual desaparecimento de S. maritimus em função da subida do nível do mar diminuiria a capacidade de sequestro de carbono do ecossistema.
Because of the increase of the fossil fuel usage by the mankind since the industrial activity, the world has been suffered with the atmospheric CO2 and temperature increase. Coastal wetlands, as salt marshes are excellent carbon sinks as they withdraw CO2 from the atmosphere and store it in living plant tissue. Ecological models have been used to try understanding what the results of the anthropogenic impacts in a global scale. Global warming could threat the salt marsh areas through the sea level increase for example. The study site is the salt marsh of the Mondego estuary, located in the central Atlantic coast of Portugal, which is considered as a rich estuarine habitat in terms of productivity and biodiversity. The main objectives of this work were the following: 1. Compare seasonal changes and functions associated with the different photochemical mechanisms of three salt marsh plant species (Scirpus maritimus, Spartina maritima and Zostera noltii) in the Mondego estuary and to assess the implications for their carbon storage capability. 2. Using stable isotopic analysis, study the differences in carbon concentration in the sediments, aboveground and belowground organs of three plant species in the Mondego estuary, considering their metabolic differences, and look to these three species (tissues and sediment in the areas covered by them) as different carbon compartments with different carbon storage capabilities. 3. Simulate, through the use of a model, how the temperature increase influences plants growth and what could happen regarding carbon storage in capacity of the three plant species leaves tissues, analyzing simultaneously if sedimentation rates in the areas occupied by these three species can keep pace of the sea level increase. As a function of these objectives, the thesis was structured in 3 chapters, results being briefly described below. In chapter 1 - Use of PSII photochemistry to evaluate salt marsh plants carbon storage in a temperate Atlantic estuary - we found that biomass values were higher in the belowground than in the aboveground organs, and usually the higher values occurred in the warmer seasons, with carbon and pigments contents following the same trend. Spartina maritima showed high values of PSII activity both maximal and operational, leading to also high values of rETR during almost all the year. Scirpus maritimus showed a reduced temporal window with high carbon sequestration ability, while Spartina maritima and Zostera noltii PSII photochemical characteristics allow them to constantly absorb carbon during all the year. In chapter 2 - Salt marsh plants carbon storage in a temperate Atlantic estuary illustrated by a stable isotopic analysis based approach – we found that carbon contents, ranged from 27–39% in S. maritimus and S. maritima to 30–39% for Z. noltii. S. maritimus had the highest carbon production in the aboveground organs and had similar results with S. maritima in the belowground carbon production. These three species together occupied about 50% of the salt marsh area, corresponding to 29.77 ha and they stored in 21 months of study 24000 Kg of carbon in their aboveground and belowground organs. Z. noltii presented highest carbon concentration in the sediment and S. maritimus the lowest. Stable carbon isotopic analysis showed that apparently, the sedimentary organic matter is composed by a mix of terrestrial sources, macro and microalgae. Despite the high carbon exportation, S. maritima and Z. noltii are constantly accumulating carbon. The studied species have both a sink and source behaviour simultaneously. In chapter 3 - Modelling the effects of global temperature increase on the growth of salt marsh plants - we used a growth model based on C3 and C4 plant species. The model was calibrated using data provided by field work, and results regarding simulations of biomass variations were consistent with field measurements. With an increase in temperature one should expect that the aboveground biomass increase in relation to the observed with the present temperature, especially in S. maritimus. Sedimentation rates in areas covered by S. maritima and Z. noltii are expected to compensate sea level increase, but that is apparently not the case in those covered by S. maritimus. An eventual disappearance of S. maritimus from the Mondego estuary will of course decrease the carbon sequestration capability of the ecosystem as a whole.
Description: Tese de doutoramento em Biociências apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/24451
Rights: openAccess
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