N-15 natural abundance in the Amazon forest and Cerrado - implications for nitrogen cycling

A floresta de terra-firme amazônica e o Cerrado ocorrem em regiões caracterizadas pela baixa fertilidade do solo. Apesar de diferenças evolutivas, estratégias de economia de água e ciclagem de nutrientes, ambos são conhecidos pela elevada presença de espécies de plantas leguminosas. O objetivo do presente trabalho foi investigar a dinâmica do nitrogênio, com ênfase na fixação biológica desse elemento, em alguns tipos de vegetação natural do Brasil. Foram investigadas áreas de floresta de terra-firme em platô, floresta de terra-firme no baixio e campinarana, situadas na região Amazônica brasileira e áreas de cerrado sensu stricto submetidas a diferentes regimes de queima, situadas na região central do Brasil. A concentração de N total no solo variou de 0,12 a 0,41 % na superfície (0-5 cm) chegando a 0,05 % a 50 cm profundidade. Em todos os perfis de solos estudados ocorreu um progressivo enriquecimento em 15N com a profundidade, independente do tipo de vegetação. Os valores mais elevados de δ15N ocorreram ao longo dos perfis de solo em Santarém e Manaus-platô. As florestas de terra-firme apresentaram as maiores concentrações de N, P e Ca na serapilheira produzida e um maior enriquecimento em 15N assim como razões C/N e N/P mais baixas. Dentro de uma mesma área, o δ15N não diferiu entre as leguminosas e não-leguminosas, mas as leguminosas apresentaram concentrações foliares de N maiores que as não-leguminosas. Em Manaus, as espécies lenhosas das áreas de campinarana e floresta no baixio apresentaram valores menores de δ15N foliar quando comparado aos das árvores da área de floresta no platô. Os valores de δ15N foliar entre as florestas de terra-firme em áreas de platô diminuíram sistematicamente com o aumento da precipitação anual e diminuição na duração da estação seca. Para as áreas de cerrado s.s., uma variação de ~10 foi observada entre as espécies de leguminosas e não-leguminosas. Como conseqüência desta grande variabilidade nos valores de δ15N foliar, fatores como sazonalidade, freqüência de queimadas e habilidade de fixar N2 (leguminosas x não-leguminosas) não causaram entre as áreas de cerrado s.s diferenças significativas tanto para espécies de leguminosas como não-leguminosas. Os valores de δ15N encontrados confirmam que as florestas de terra-firme apresentam uma maior disponibilidade de N. No entanto, quanto maior a duração da estação seca na região amazônica mais alta é a disponibilidade de N nessas florestas (ciclo do N mais aberto). Por outro lado, os valores obtidos nas áreas de cerrado s.s. estariam refletindo a baixa disponibilidade de N nesse ecossistema. Diferenças na abertura relativa do ciclo do N (magnitude das entradas e saídas versus a quantidade de N dentro do sistema) contribuíram para a variação do δ15N relacionada à fertilidade do solo, enquanto as diferenças no fracionamento isotópico durante as perdas de N contribuíram mais significativamente na variação do δ15N associada à distribuição das chuvas.The Amazon terra-firme forest and Cerrado occur in the Brazilian tropical region characterized by low soil fertility and a quite diverse climatological condition, mainly related to extend and intensity of the dry and wet seasons. Despite the differences in evolutionary character, water economy and strategies in nutrient cycling, these systems are known for a high number of woody legumes. Othe objective of this study was to investigate the nitrogen dynamics, with emphasis on the biological nitrogen fixation, on some types of natural vegetation from Brazil. Areas of terra-firme forest on plateau, terra-firme forest on baixio and campinarana, situated in the Brazilian Amazon region and areas of cerrado sensu stricto submitted to different fire regimes, situated in Central region of Brazil, were investigated. Total N concentration varied from 1.2 to 4.1 g kg-1 at the surface (0-5 cm) to ~ 0.5 g kg-1 at 50 cm depth. Regardless of the site, a large increase in δ15N was observed in the first 50 cm of the soil, although the soil profiles from terra-firme forest in Manaus and Santarém were more enriched in 15N than the other profiles. All terra-firme forests showed higher N, P and Ca concentrations, and δ15N, in the litter, as well as lower C:N ratio compared to the other studied sites. Within-site, foliar δ15N (~ 10 ) did not differ between legumes and non-legumes, but legumes had higher foliar N concentrations. Forests on fertile soils were enriched in 15N relative to those on poorer soils. Foliar δ15N was positively correlated with the length of the dry season in terra-firme forests along the Amazon while foliar N did not decrease as precipitation increases. Terra-firme forests are N-rich ecosystems (open N-cycle) compared to the Cerrado where the large range of δ15N reflects mechanisms to sustain such diversity in this nutrient-poor and water-stressed environment. Precipitation seasonality (dry versus wet season), fire frequency and ability to fix atmospheric N (legumes vs non-legumes), did not reflect significant differences in the δ15N values of Cerrado leaves. Both terra-firme forest and cerrado s.s. are limited more by P than by N, although N limitation is higher in the latter. Three aspects ought to be concerned describing the patterns found in this work. First, differences in plant versus soil δ15N; second, differences in the characteristic of the N cycle (the magnitude of inputs and outputs versus the quantity of N within systems); and third, variations on isotopic fractionation during N loss. Therefore, differences in the relative openness of the N cycle seems to contribute most strongly to fertility-related variation in N-15, while differences in fractionation during output contribute more strongly to rainfallassociated variation