Dissolved nitrogen in rivers: comparing pristine and impacted regions of Brazil / Nitrogênio dissolvido em rios de regiões distintas do Brasil

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.

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.

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.

Utilização da reserva orgânica e de nitrogênio do tolete de plantio (colmo-semente) no desenvolvimento da cana-planta

Seedpieces with one node (one bud) plus half of the internodes at each side, were cut from the middle third of cane stalks, variety NA 56-79, grown with 1S N. The dry weight, N content and 15N abundance of cuttings were estimated from samples of each original stalk. The cuttings were planted in pots filled with 6kg of a Dark Red Latosol (RHODIC KANHAPLUDALF) sample. The experiment was conducted under greenhouse conditions, using a random design with 16 treatments (harvest times) and three replicates. The harvested plants were divided into shoots, roots and remaining seedpiece. The dry weight, N content and 15N abundance were determined in each sample. The results showed that the reduction of the dry weight of the seedpiece was compensated by new matter yield (shoot and root) only after three months of growth. During this period the emergence of fixing roots and of the primary shoot depended solely on the seedpiece reservoir. The later is also essential as a nitrogen source for the cane plant during 50-60 days after planting. After 6 months the dry matter of the original cuttings is reduced by 50% and 50% of its nitrogen is translocated to the cane plant. It may be estimated that, under field conditions, 6-12kg.ha-1 can be translocated from the original seedpieces to the cane plant (shoots and roots). These values can represent 5-10% of total N required by the cane plant.

Toletes (colmo-semente) com um nó (uma gana) mais metade do entre-nó inferior e metade do superior foram obtidos do terço médio de colmos de cana-de-açúcar, marcados com 15N, da variedade NA 56-79. A massa seca, o conteúdo de nitrogênio e a abundância isotópica de 15N dos toletes foram estimados tomando-se por base os valores obtidos em amostra de cada colmo. Os toletes foram plantados em vasos com 6kg de terra colhida de uma Terra Roxa Estruturada Latossólica (RHODIC KANHAPLUDALF). O experimento foi conduzido em casa-de-vegetação, em delineamento inteiramente casualizado, com 16 tratamentos correspondentes à colheitas em diferentes tempos após o plantio. Nas plantas, subdivididas em amostras de parte aérea, raízes e tolete remanescente, foram determinados a massa seca, N-total e abundância de 15N. Dos resultados obtidos verificou-se que a redução da matéria seca do tolete somente foi compensada pela produção de novos tecidos por volta dos 3 meses do plantio. Nesse período, a emissão das raízes de fixação e a brotação do perfilho primário dependeu da reserva orgânica do tolete. A reserva de nitrogênio do tolete foi fundamental como fonte do nutriente à cana-planta nos 50-60 dias após o plantio. A degradação de 50% da reserva orgânica do tolete ocorreu até os 6 meses e possibilitou a liberação de 50% da reserva de nitrogênio que foi translocada aos novos tecidos da cana-planta. Pode-se estimar que de 6-12 kg.ha-1 do N-tolete são translocados aos novos tecidos (50% do N-tolete), valores estes que podem representar 5-10% das necessidades de N da cultura.

Utilização da reserva orgânica e de nitrogênio do tolete de plantio (colmo-semente) no desenvolvimento da cana-planta

Seedpieces with one node (one bud) plus half of the internodes at each side, were cut from the middle third of cane stalks, variety NA 56-79, grown with 1S N. The dry weight, N content and 15N abundance of cuttings were estimated from samples of each original stalk. The cuttings were planted in pots filled with 6kg of a Dark Red Latosol (RHODIC KANHAPLUDALF) sample. The experiment was conducted under greenhouse conditions, using a random design with 16 treatments (harvest times) and three replicates. The harvested plants were divided into shoots, roots and remaining seedpiece. The dry weight, N content and 15N abundance were determined in each sample. The results showed that the reduction of the dry weight of the seedpiece was compensated by new matter yield (shoot and root) only after three months of growth. During this period the emergence of fixing roots and of the primary shoot depended solely on the seedpiece reservoir. The later is also essential as a nitrogen source for the cane plant during 50-60 days after planting. After 6 months the dry matter of the original cuttings is reduced by 50% and 50% of its nitrogen is translocated to the cane plant. It may be estimated that, under field conditions, 6-12kg.ha-1 can be translocated from the original seedpieces to the cane plant (shoots and roots). These values can represent 5-10% of total N required by the cane plant.

Toletes (colmo-semente) com um nó (uma gana) mais metade do entre-nó inferior e metade do superior foram obtidos do terço médio de colmos de cana-de-açúcar, marcados com 15N, da variedade NA 56-79. A massa seca, o conteúdo de nitrogênio e a abundância isotópica de 15N dos toletes foram estimados tomando-se por base os valores obtidos em amostra de cada colmo. Os toletes foram plantados em vasos com 6kg de terra colhida de uma Terra Roxa Estruturada Latossólica (RHODIC KANHAPLUDALF). O experimento foi conduzido em casa-de-vegetação, em delineamento inteiramente casualizado, com 16 tratamentos correspondentes à colheitas em diferentes tempos após o plantio. Nas plantas, subdivididas em amostras de parte aérea, raízes e tolete remanescente, foram determinados a massa seca, N-total e abundância de 15N. Dos resultados obtidos verificou-se que a redução da matéria seca do tolete somente foi compensada pela produção de novos tecidos por volta dos 3 meses do plantio. Nesse período, a emissão das raízes de fixação e a brotação do perfilho primário dependeu da reserva orgânica do tolete. A reserva de nitrogênio do tolete foi fundamental como fonte do nutriente à cana-planta nos 50-60 dias após o plantio. A degradação de 50% da reserva orgânica do tolete ocorreu até os 6 meses e possibilitou a liberação de 50% da reserva de nitrogênio que foi translocada aos novos tecidos da cana-planta. Pode-se estimar que de 6-12 kg.ha-1 do N-tolete são translocados aos novos tecidos (50% do N-tolete), valores estes que podem representar 5-10% das necessidades de N da cultura.

Evaluation of a 15N plot design for estimating plant recovery of fertilizer nitrogen applied to sugar cane

Two experiments were conducted on commercial sugar cane fields cropped with the variety SP70-1143, with the objective of evaluating a single row microplot design to determine plant recovery of 15N fertilizer nitrogen. One of them used 15N-aqua ammonia and 15N-urea applied to two linear meter microplots of a ratoon crop (four replicates). The second used one linear meter microplots (three replicates) which received 15N-aqua ammonia only. The fertilizers were applied on 15cm deep furrows, located 25cm from both sides of the cane row. One linear meter of ratoon cane, inside and outside of the microplot, and on the same and adjacent rows were harvested twelve months after fertilization. The results indicate the feasibility of using single row segments of ratoon cane with 15N-fertilizer. The main advantage of this microplot design, when compared to the classical 3 contiguous row segments, is that only one third of the labeled fertilizer is needed. In a single row, in order to separate the nitrogen taken up by plants from the fertilizer applied to the row (Nr dff r), from that applied to adjacent rows (Nr dff r+1, and Nr dff r-1), the following should be considered: (a) a border segment of 0.5 to 1.0m inside the plot, so that Ndff results from plants harvested in the center of the microplot represent the actual value of fertilizer nitrogen taken up from that applied to the same row, and (b) harvest of plants from adjacent rows at equivalent positions to those sampled inside the microplot, to quantify the 15N-fertilizer uptake by outside plants (Nr+1dff r and Nr-1dff r), which is assumed to be the same as non labeled fertilizer applied to adjacent rows (Nr dff r+l and Nr dff r-1) taken up by inside plants. The Ndff total values should be calculated by the equation: Ndff total = Nr dff r + Nr+1dff r + Nr-1dff r.

Com o objetivo de avaliar um modelo de parcela, na determinação do aproveitamento pela cana-de-açúcar de fertilizantes nitrogenados-15N, foram conduzidos dois experimentos em áreas comerciais plantadas com a variedade SP 70-1143. Num experimento foram aplicados os adubos aquamônia-15N e uréia-15N, em parcelas constituídas de segmentos simples de linha de soqueira de cana, com 2 metros lineares de comprimento (4 repetições). No segundo, parcelas de l metro linear (3 repetições) receberam aquamônia-15N. Os fertilizantes foram aplicados em sulcos com 15cm de profundidade, abertos a 25cm de distância nos dois lados da linha de cana. Foram realizadas colheitas de l metro linear de cana no interior e fora das parcelas, na mesma linha e nas adjacentes à elas. Os resultados isotópicos evidenciaram ser perfeitamente possível a utilização dessas parcelas com fertilizante-15N. A principal vantagem do modelo, comparado às parcelas convencionais com 3 segmentos contíguos, é a redução a um terço, da quantidade de fertilizantes-15N necessária. Na determinação do nitrogênio absorvido pelas plantas do fertilizante aplicado na linha com adubo-15N (Nr dff r), e daquele absorvido do fertilizante não marcado com o isótopo, aplicado nas linhas adjacentes (Nr dff r+1 e Nr dff r-1), deve-se considerar para as parcelas em questão: (a) bordadura interna de 0,5 a 1m de comprimento, para que os valores de Ndff de plantas colhidas no centro delas, representem o valor máximo do nitrogênio absorvido do fertilizante aplicado na linha; e (b) colheita de plantas nas linhas imediatamente adjacentes, em posições equivalentes à efetuada no interior das parcelas, a fim de quantificar o N absorvido do fertilizante-15N (Nr+1dff r e Nr-1dff r), que representa o valor do N absorvido do adubo aplicado nas linhas adjacentes, por plantas da parcela (Nr dff r+I e Nr dff r.,). O valor de Ndff

Hydrograph separation of the amazon river using 18o as an isotopic tracer

The 18O content of rain and river waters was used as an isotopic tracer in order to carry out the hydrograph separation of the Amazon river, during the 1973-1974 hydrological years, and to estimate the contributions of the surface runoff (event water) and baseflow (pre-event water) components to the total river flow. The average surface runoff and baseflow contributions were 30.3 and 69.7% respectively. At peak discharge, the mean contribution of the baseflow was about 57%. The results of the isotopic separation model were compared with the filter-separation autoregressive method, showing similar behavior and magnitude.

Os teores de 18O em águas de chuva e amostras de água de rio foram utilizados como traçadores num modelo isotópico de separação de hidrógrafas do rio Amazonas durante o período 1973-1974, com o intuito de se estimar as contribuições do escoamento superficial rápido e escoamento de base para o escoamento total da bacia de drenagem. As contribuições médias desses reservatórios foram de 30,3 e 69,7% respectivamente. Durante o período de pico de cheia, o fluxo de base contribuiu com cerca de 57% do volume total de água escoada. Os resultados do modelo de separação isotópico foram comparados com o método estatístico de filtros auto-recursivos, mostrando comportamentos similares.

HYDROGRAPH SEPARATION OF THE AMAZON RIVER USING 18O AS AN ISOTOPIC TRACER

The 18O content of rain and river waters was used as an isotopic tracer in order to carry out the hydrograph separation of the Amazon river, during the 1973-1974 hydrological years, and to estimate the contributions of the surface runoff (event water) and baseflow (pre-event water) components to the total river flow. The average surface runoff and baseflow contributions were 30.3 and 69.7% respectively. At peak discharge, the mean contribution of the baseflow was about 57%. The results of the isotopic separation model were compared with the filter-separation autoregressive method, showing similar behavior and magnitude.

Os teores de 18O em águas de chuva e amostras de água de rio foram utilizados como traçadores num modelo isotópico de separação de hidrógrafas do rio Amazonas durante o período 1973-1974, com o intuito de se estimar as contribuições do escoamento superficial rápido e escoamento de base para o escoamento total da bacia de drenagem. As contribuições médias desses reservatórios foram de 30,3 e 69,7% respectivamente. Durante o período de pico de cheia, o fluxo de base contribuiu com cerca de 57% do volume total de água escoada. Os resultados do modelo de separação isotópico foram comparados com o método estatístico de filtros auto-recursivos, mostrando comportamentos similares.

Evaluation of a 15N plot design for estimating plant recovery of fertilizer nitrogen applied to sugar cane

Two experiments were conducted on commercial sugar cane fields cropped with the variety SP70-1143, with the objective of evaluating a single row microplot design to determine plant recovery of 15N fertilizer nitrogen. One of them used 15N-aqua ammonia and 15N-urea applied to two linear meter microplots of a ratoon crop (four replicates). The second used one linear meter microplots (three replicates) which received 15N-aqua ammonia only. The fertilizers were applied on 15cm deep furrows, located 25cm from both sides of the cane row. One linear meter of ratoon cane, inside and outside of the microplot, and on the same and adjacent rows were harvested twelve months after fertilization. The results indicate the feasibility of using single row segments of ratoon cane with 15N-fertilizer. The main advantage of this microplot design, when compared to the classical 3 contiguous row segments, is that only one third of the labeled fertilizer is needed. In a single row, in order to separate the nitrogen taken up by plants from the fertilizer applied to the row (Nr dff r), from that applied to adjacent rows (Nr dff r+1, and Nr dff r-1), the following should be considered: (a) a border segment of 0.5 to 1.0m inside the plot, so that Ndff results from plants harvested in the center of the microplot represent the actual value of fertilizer nitrogen taken up from that applied to the same row, and (b) harvest of plants from adjacent rows at equivalent positions to those sampled inside the microplot, to quantify the 15N-fertilizer uptake by outside plants (Nr+1dff r and Nr-1dff r), which is assumed to be the same as non labeled fertilizer applied to adjacent rows (Nr dff r+l and Nr dff r-1) taken up by inside plants. The Ndff total values should be calculated by the equation: Ndff total = Nr dff r + Nr+1dff r + Nr-1dff r.

Com o objetivo de avaliar um modelo de parcela, na determinação do aproveitamento pela cana-de-açúcar de fertilizantes nitrogenados-15N, foram conduzidos dois experimentos em áreas comerciais plantadas com a variedade SP 70-1143. Num experimento foram aplicados os adubos aquamônia-15N e uréia-15N, em parcelas constituídas de segmentos simples de linha de soqueira de cana, com 2 metros lineares de comprimento (4 repetições). No segundo, parcelas de l metro linear (3 repetições) receberam aquamônia-15N. Os fertilizantes foram aplicados em sulcos com 15cm de profundidade, abertos a 25cm de distância nos dois lados da linha de cana. Foram realizadas colheitas de l metro linear de cana no interior e fora das parcelas, na mesma linha e nas adjacentes à elas. Os resultados isotópicos evidenciaram ser perfeitamente possível a utilização dessas parcelas com fertilizante-15N. A principal vantagem do modelo, comparado às parcelas convencionais com 3 segmentos contíguos, é a redução a um terço, da quantidade de fertilizantes-15N necessária. Na determinação do nitrogênio absorvido pelas plantas do fertilizante aplicado na linha com adubo-15N (Nr dff r), e daquele absorvido do fertilizante não marcado com o isótopo, aplicado nas linhas adjacentes (Nr dff r+1 e Nr dff r-1), deve-se considerar para as parcelas em questão: (a) bordadura interna de 0,5 a 1m de comprimento, para que os valores de Ndff de plantas colhidas no centro delas, representem o valor máximo do nitrogênio absorvido do fertilizante aplicado na linha; e (b) colheita de plantas nas linhas imediatamente adjacentes, em posições equivalentes à efetuada no interior das parcelas, a fim de quantificar o N absorvido do fertilizante-15N (Nr+1dff r e Nr-1dff r), que representa o valor do N absorvido do adubo aplicado nas linhas adjacentes, por plantas da parcela (Nr dff r+I e Nr dff r.,). O valor de Ndff