Wood Density and Tree Allometry
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NATIONAL INSTITUTE FOR RESEARCH IN THE AMAZON – INPA Integrated Graduate Program in Tropical Biology and Natural Resources – PBTRN Graduate Program in Tropical Forest Science - CFT WOOD DENSITY AND TREE ALLOMETRY IN FORESTS OF BRAZIL’S ‘ARC OF DEFORESTATION’: IMPLICATIONS FOR BIOMASS AND EMISSION OF CARBON FROM LAND-USE CHANGE IN BRAZILIAN AMAZONIA EULER MELO NOGUEIRA Manaus, Amazonas February 2008. NATIONAL INSTITUTE FOR RESEARCH IN THE AMAZON – INPA Integrated Graduate Program in Tropical Biology and Natural Resources – PBTRN Graduate Program in Tropical Forest Science - CFT WOOD DENSITY AND TREE ALLOMETRY IN FORESTS OF BRAZIL’S ‘ARC OF DEFORESTATION’: IMPLICATIONS FOR BIOMASS AND EMISSION OF CARBON FROM LAND-USE CHANGE IN BRAZILIAN AMAZONIA EULER MELO NOGUEIRA Adviser: Dr. PHILIP MARTIN FEARNSIDE Co-Adviser: Dr. Bruce Walker Nelson Thesis submitted to the PPG- BTRN in partial fulfillment of the requirements for the degree Doctor in Tropical Forest Science, area of concentration: Forest Management. Manaus, Amazonas February 2008. ii N778 Nogueira, Euler Melo Wood density and tree allometry in forests of Brazil's “arc of deforestation” implications for biomass and emission of carbon from land-use change in Brazilian Amazonia / Euler Melo Nogueira .--- Manaus : [s.n.], 2008. xviii, 130 f. : il. Tese (Ph.D) --- INPA/UFAM, Manaus, 2008 Adviser: Philip Martin Fearnside Co-Adviser : Bruce Walker Nelson Área of concentration : Forest Management 1. Forest biomass – Amazon (region). 2. Wood. 3. Global warming. I. Título. CDD 19. ed. 634.9285 Synopsis: This study presents estimates of wood density, wood moisture content, allometry, and biomass stock for the southern and southwestern portions of the ‘arc of deforestation', and adjusts the estimates of biomass and of carbon emission for Brazilian Amazonia. Keywords: Global Warming, Biomass, Wood density, Allometry, Arc of deforestation, Amazonian. iii Dedication To the Lord God, creator of heaven and earth, to my parents José Anísio Nogueira and Lindaura Martins Melo Nogueira, and to my siblings: Georgheton and family, Liliane, Dayana and Maria Adonay. iv Acknowledgments To the Lord God, creator of Heaven and Earth: ‘Those who know your name will trust in You, for You, oh Lord, have never forsaken those who seek You’ (Psalms 9:10, Holy Bible, New International Version-NVI). To the National Institute of Research in the Amazon (INPA) for the educational opportunity, To the Foundation for the Support of Research of the State of Amazonas (FAPEAM) for a scholarship, I thank the National Council for Scientific and Technological Development-CNPq, I am especially thankful to Dr. Philip Martin Fearnside for the orientation, constant support and friendship, I thank Dr. Bruce Walker Nelson, for the friendship, suggestions and revision of the manuscripts, It would also like my express my gratitude to Dr. José Francisco, coordinator of the graduate program in Tropical Forest Science (CFT-INPA), for the constant encouragement, attention and friendship, I thank Dr. João B. Ferraz for making a vehicle available for fieldwork, I thank all of the employees of Fazenda São Nicolau (ONF-Brasil/PEUGEOT) for making available a collection area, accommodation and food from the ‘Carbon Well’ Project. I am thankful to Vespaziano, Paulo and Valéria for logistical support, I thank Rohden Indústria Lígnea Ltda for making an area of forest available and for field support; I thank Vicente DaRiva and Imbrózio for the access to their lands, I am very thankful to the Knidel family and to Cecílio and family for accommodation in Juruena, and to Alzelindo Chave Vieira (Pé-na-cova), Leandro José, Joel Rodrigues do v Carmo, José Carlos de Lima for work in the field. I also thank Evandro Selva and Gheorges W. Rotta for laboratory support, I thank all of the members of the Presbyterian Church of Juruena for their friendship and communion, as well as the members of the Baptist Church of Alta Floresta, To the teachers and class friends in the CFT-INPA program, To the employees of INPA who directly or indirectly made this study possible, To my housemates, my gratitude for their friendship and companionship: to Allan, André, Geraldo, Luciano, Márcio and Ronaldo; and especially to the friend-brother Ulysses and his wife Kelly. I thank my most recent friends in the residence of SEBRAM. José, Max and Linelma, and Pr. Idenildo and family, I am very thankful to members of the Cachoeirinha Baptist Church, my family in Manaus. I especially thank the youths, who are actors in eternal memories, To the friends and teachers in the EBD course in SEBRAM vi “... because the Lord was with Joseph” Genesis 39:23 vii RESUMO Incertezas nas estimativas de biomassa são a principal causa de incertezas nas estimativas de emissão de gases de efeito estufa na Amazônia. Os resultados apresentados neste estudo reduzem as incertezas nas estimativas de biomassa acima do solo, particularmente no sul e sudoeste da Amazônia brasileira (SSWA), regiões inseridas no ‘arco do desmatamento’. No Capítulo I novos dados de densidade de madeira obtidos nas florestas da região SSWA (403 árvores identificadas em nível de espécie e gênero) foram combinados com os inventários de volume de madeira produzidos pelo Projeto RadamBrasil (1973-1983). A área de cada unidade de vegetação, definidas pela intersecção entre tipos de florestas mapeados e divisão geopolítica dos estados, foi utilizada para obter a densidade de madeira média (0,583 g cm-3) para toda a região SSWA. Esta média é 13,6% menor do que o valor utilizado para esta região em estimativas prévias. A média de 0,642 g cm-3 foi obtida para a Amazônia brasileira como um todo, a partir das novas estimativas para as florestas da porção SSWA juntamente com estimativas para as outras regiões da Amazônia, corrigidas para a variação radial (-5,3%). A nova média de densidade é 7% menor que a média anteriormente estimada para a Amazônia brasileira: 0,69 g cm-3. O impacto sobre as estimativas de biomassa e emissão de carbono é substancial porque a redução é maior em tipos de floresta sob maior desmatamento. Para 1990, com 13,8 × 103 km2 de desmatamento, as emissões para a Amazônia brasileira seriam 6 reduzidas por 23,4-24,4 × 10 Mg CO2-equivalente C/ano (para cenários de gás-traço alto e baixo), ou 9,4-9,5% da emissão grossa e 10,7% da emissão líquida comprometida, ambas excluindo o solo. No Capítulo II foram avaliadas relações lineares que descrevem a variação radial da densidade para árvores em floresta densa na Amazônia central (CA) e desenvolvidas novas relações para árvores em floresta aberta no sul da Amazônia (SA). A relação linear descrita na CA para a variação da densidade ao longo do fuste é similar para árvores no SA (p = 0,144). Também é demonstrado que as árvores no sul da Amazônia possuem conteúdo de umidade no fuste significativamente maior (0,416 ± 0,068 SD; n = 223) do que em árvores na CA (0,38; n = 50). O conteúdo de umidade tem uma forte relação inversa com a densidade básica da madeira, o que explica o menor conteúdo de umidade nas árvores na CA comparado ao SA. No Capítulo III é demonstrado que na CA as árvores são mais altas para um dado diâmetro que em florestas abertas dominadas por bambu e densas livres de bambu, no sudoeste da Amazônia (SW), bem como em florestas abertas no sul da Amazônia (SA). O impacto sobre as estimativas de biomassa foram respectivamente -11,0%, -6,2% e -3,6%. Isto sugere que a estimativa da Comunicação Nacional Brasileira no âmbito da Convenção Quadro das Nações Unidas para Mudanças Climáticas requer redução. As relações observadas entre diâmetro e altura foram inconsistentes com a suposição da teoria de ecologia metabólica e reforça o argumento que o expoente escalar alométrico varia em florestas sobre diferentes substratos ou com diferentes níveis de distúrbios naturais. No Capítulo IV é apresentada nova equação alométrica para estimativa de biomassa desenvolvida a partir de árvores diretamente pesadas no SA e equações para estimativas do volume do fuste na CA e no SA. Estas equações foram utilizadas para aperfeiçoar o modelo de biomassa historicamente aplicado na Amazônia, que se baseia em inventários de volume de madeira em larga-escala. Nova estimativa de biomassa foi produzida para a Amazônia brasileira incorporando novos valores de densidade de madeira, correções para incertezas em estimativa de volume de madeira e fatores utilizados para adicionar o volume dos fustes de pequenas árvores e biomassa das copas. Considerando todos os ajustes, o mapa indica estoque de 125,4 Pg (=1015 g) de biomassa seca (acima e abaixo do solo) para áreas originalmente florestadas na Amazônia Legal Brazileira (104,2 Pg somente acima do solo) no período dos inventários do RadamBrasil, portanto antes que intensivos desmatamentos tivessem ocorrido na região. Se as áreas desmatadas até 2006 forem eliminadas do cálculo, excluindo agricultura, pastagens e vegetação de floresta secundária, a estimativa de biomassa seca estocada é reduzida para 113,3 e 94,2 Pg (acima e abaixo do solo, e somente acima do solo). viii SUMMARY Uncertainties in biomass estimates are the main source of uncertainty in estimates of greenhouse-gas emissions in Amazonia. The results presented in this study reduce the uncertainties in estimates of above-ground biomass, particularly in the southern and southwestern portions of the Brazilian Amazon (SSWA), which are in the ‘arc of deforestation.’ In Chapter I new data on wood density obtained in the forests of the SSWA area (403 trees identified to species or genus) are combined with the inventories of wood volume produced by Projeto RadamBrasil (1973-1983). The area of each vegetation unit, defined as the intersection among forest types and the boundaries of the nine states in Brazilian Amazonia, was used to calculate a mean wood density of 0.583 g.cm-3 for the SSWA as a whole.