Riverine organic matter composition as a function of land use changes, southwest amazon


Download 332.19 Kb.
Pdf ko'rish
bet1/2
Sana17.07.2017
Hajmi332.19 Kb.
#11469
  1   2

S263

Ecological Applications, 14(4) Supplement, 2004, pp. S263–S279

᭧ 2004 by the Ecological Society of America

RIVERINE ORGANIC MATTER COMPOSITION AS A FUNCTION OF LAND

USE CHANGES, SOUTHWEST AMAZON

M

ARCELO


C. B

ERNARDES


,

1,4


L

UIZ


A. M

ARTINELLI

,

1

A



LEX

V. K


RUSCHE

,

1



J

ACK


G

UDEMAN


,

2

M



ARCELO

M

OREIRA



,

1

R



EYNALDO

L. V


ICTORIA

,

2



J

EAN


P. H. B. O

METTO


,

1

M



ARIA

V. R. B


ALLESTER

,

1



A

NTHONY


K. A

UFDENKAMPE

,

3

J



EFFREY

E. R


ICHEY

,

2



AND

J

OHN



I. H

EDGES


2

1

Laborato´rio de Ecologia Isoto´pica, Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de Sa˜o Paulo,



CEP 13400-970, Piracicaba, SP, Brazil

2

School of Oceanography, University of Washington, Box 355351, Seattle, Washington 98195 USA

3

Stroud Water Research Center, 970 Spencer Road, Avondale, Pennsylvania 19311 USA

Abstract.

We investigated the forms and composition of dissolved and particulate or-

ganic matter in rivers of the Ji-Parana´ Basin, which is situated at the southern limit of the

Amazon lowlands and has experienced extensive deforestation in the last three decades

(

ϳ35 000 km



2

). Our objective was to investigate how extensive land-use changes, from

forest to cattle pasture, have affected river biogeochemistry. We measured a series of

chemical, biochemical, and isotopic tracers in three size classes of organic matter within

five sites along Ji-Parana´ River and eight more sites in six tributaries. The results were

compared with C

4

leaf and pasture soils end members in order to test for a pasture-derived



signal in the riverine organic matter. The coarse size fraction was least degraded and derived

primarily from fresh leaves in lowland forests. The fine fraction was mostly associated with

a mineral soil phase, but its ultimate source appeared to be leaves from forests; this fraction

was the most enriched in nitrogen. The ultrafiltered dissolved organic matter (UDOM)

appeared to have the same source as the coarse fraction, but it was the most extensively

degraded of the three fractions. In contrast to Amazon white-water rivers, rivers of the Ji-

Parana´ Basin had lower concentrations of suspended solids with a higher carbon and nitrogen

content in the three size fractions. However, principal component analyses showed a cor-

relation between areas covered with pasture and the

13



C values of the three size fractions.

The highest

13

C values were observed in the ultrafiltered dissolved organic matter of the



Rolim-de-Moura and Jaru´ rivers, which have the highest areas covered with pasture. The

lower the order of the streams and the higher the pasture area, the greater is the possibility

that the C

4

-derived organic matter signal will be detected first in the faster-cycling fraction



(UDOM). The large change in land use in the Ji-Parana´ Basin, replacement of primary

forests by C

4

pastures for cattle feeding, that has taken place in the last 30–40 yr, has



already changed the characteristics of the composition of the riverine organic matter.

Key words:

Amazon rivers; black water; deforestation; isotopes; land use; lignin; organic matter;

pasture; principal component analyses; white water.

I

NTRODUCTION



Of the states located in the Amazon region, the state

of Rondoˆnia in the southern Amazon has experienced

the fourth highest rate of deforestation (Instituto Na-

cional de Pesquisas Espaciais [INPE] 2001). In this

region, large areas of rainforest have been replaced by

pasture for cattle in the last 30 years (INPE 2001). Of

the total deforested area in the Amazon until 1999,

almost 10% (58 000 km

2

) has been in Rondoˆnia (INPE



2001). The increase in the land use is concentrated

along highway BR-364 within the limits of the Ji-Pa-

rana´ River basin. As a consequence, in 1986, of all the

deforested areas in Rondoˆnia, 59% were located in the

Manuscript received 2 November 2001; revised 30 November

2002; accepted 31 December 2002; final version received 29 Jan-

uary 2003. Corresponding Editor: J. M. Melack. For reprints of

this Special Issue, see footnote 1, p. S1.

4

E-mail: bernardes@geoq.uff.br



Ji-Parana´ River basin, with the most intensive land cov-

er changes in the central part of this basin (Fig. 1).

The conversion of large areas of primary forests into

grasslands leads to profound modifications in the struc-

ture and functioning of terrestrial ecosystems in the

Amazon. Several studies have shown that the intro-

duction of C

4

grasses alters carbon and nitrogen stocks



and dynamics in soil organic matter (Desjardin et al.

1994, Trumbore et al. 1995, Neill et al. 1997, Camargo

et al. 1999). However, these studies do not address

whether these changes in organic matter cycling have

effects beyond the local site of deforestation. Streams

are natural transporters in landscapes, and their flowing

waters reflect the biogeochemistry of their watersheds.

Thus, higher order streams and rivers are considered

to be good integrators of both natural and anthropo-

genic processes in their drainage basins, and they have

the potential to offer a broad view of the magnitude of

biogeochemical changes over a landscape.



S264

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

F

IG

. 1.



Study area and sample locations in Rondoˆnia, Brazil.

Few studies have addressed the consequences of

land-use changes on aquatic environments in the Am-

azon Basin (e.g., Williams and Melack 1997, Neill et

al. 2001, Biggs et al. 2002). None of these studies

investigated possible changes in the compositional

characteristics of organic material of river systems. On

the other hand, the forms and composition of different-

sized classes of organic matter transported by white-

water rivers in largely unaltered basins of the Amazon

have been investigated (Hedges et al. 1986, 1994, 2000,

Richey et al. 1990, Quay et al. 1992, Devol and Hedges

2001). These studies have analyzed an array of ele-

mental (carbon and nitrogen concentrations), biochem-

ical (lignin, carbohydrate, and amino acid), stable iso-

tope (


13

C,



15

N), and radioisotope (



14

C) compositions



in riverine organic matter. These measurements were

carried out in three size fractions: coarse (

Ͼ63 ␮m)

and fine (



Ͻ63 ␮m to 0.1 ␮m) particulate and ultrafil-

tered dissolved organic matter (UDOM). The compo-

sition and fates of these three fractions throughout the

Amazon Basin are consistently distinct, although they

share the same ultimate source—the leaves of C

3

forest



trees. The coarse fraction is the least degraded and

resembles relatively undecomposed tree leaves. The

dissolved products of the decomposition of tree leaves

percolate through the soil column, where nitrogen-rich



August 2004

S265


ORGANIC MATTER OF AMAZON LOWLAND RIVERS

F

IG



. 2.

Daily variability of the discharge

from 1999 to 2001 in the following rivers: Com-

emorac¸a˜o River (COM-2), Pimenta Bueno Riv-

er (PB-2), and Ji-Parana´ River (JIP-2 and JIP-

4). Arrows indicate seven times at which water

samples were collected.

compounds are sorbed and stabilized by soil mineral

particles (Aufdenkampe et al. 2001). Consequently, the

fine fraction is the richest in nitrogen and enters the

river systems primarily via soil erosion. Finally, the

dissolved organic fraction is most degraded, being

composed of organic, nitrogen-poor substances that are

not sorbed onto mineral surfaces. Another important

feature is the constancy over time and space of the

compositional characteristics of the size classes of riv-

erine organic matter. From first-order Andean tributar-

ies to the major rivers of the Amazon Basin, no major

differences were observed for a given size fraction

(Hedges et al. 2000).

In the present study, we investigated the forms and

composition of riverine organic matter of the Ji-Parana´

Basin. We sampled the Ji-Parana´ River at five different

sites along its main stem. We also sampled several

tributaries, with drainage basins exhibiting a range of

sizes and extents of deforestation. Our main objective

was to compare the composition of the organic matter

in rivers of the Ji-Parana´ Basin with other rivers of the

Amazon Basin. Most previous studies of riverine or-

ganic matter composition in the Amazon Basin have

focused on turbid white-water systems, which have a

considerable portion of their headwaters in the Andes.

In contrast, rivers of the Ji-Parana´ Basin have their

watersheds in lowland areas, carrying a much lower

load of suspended particles than their white-water

counterparts (Martinelli et al. 1993).

Our second objective was to investigate whether the

extensive land-use changes in the Ji-Parana´ Basin over

the last 30 yr have altered the organic matter compo-

sition of its rivers. In rivers of the Piracicaba Basin,

located in the southeast region of Brazil, land-use

changes that occurred 70–80 yr ago have left their

‘‘imprint’’ in the dissolved and fine fractions of rivers

of that basin (Martinelli et al. 1999). In contrast, most

of the changes in land use in the Ji-Parana´ Basin started

just 30–40 yr ago. Studies with soils under pastures of

different ages have shown that after 3–5 yr of pasture

cultivation the signal of C

4

-derived organic matter from



pasture grasses is detectable in the soil organic matter

(Neill et al. 1997). Therefore, it is possible that the

composition of organic matter in the Ji-Parana´ River

network might reflect these new organic matter sources.

In order to answer these questions, we analyzed a

series of chemical, biochemical, and isotopic tracers in

the three size classes of organic matter from rivers

within the Ji-Parana´ Basin and compared them with

values obtained in previous studies in the Amazon Ba-

sin. In addition, we compared these results with C

4

plants and pasture soil sources to test for a signal in



the riverine organic matter traceable to introduced grass

species.


M

ETHODS


Sampling sites

The Ji-Parana´ Basin, with a drainage area of 75 000

km

2

, is located in Rondoˆnia state in the southwestern



Amazon Basin (Fig. 1). The headwaters of the Ji-Parana´

River are formed by the confluence of the Comemo-

rac¸a˜o and Pimenta Bueno rivers. The Ji-Parana´ River

channel has a total length of 972 km and varies in width

from 150 to 500 m, whereas the channel widths of the

major tributaries range from 30 to 200 m (Table 1).

The high and low water periods for these rivers range

from December to May, and from June to November,

respectively.

Water samples were collected seven times between

1999 and 2001 (Fig. 2). Samples were collected at five

sites along the main channel of the Ji-Parana´ River, at

the mouths of six major tributaries, and at two head-

water sites, for a total of 13 sampling stations (Fig. 1).

The first four sites were located on the Comemorac¸a˜o

(COM-1 and COM-2) and Pimenta Bueno (PB-1 and

PB-2) rivers; below their junction there were five sam-

pling sites (JIP-1 to JIP-5). Along its course, the Ji-

Parana´ receives contributions from four main tributar-

ies that were also sampled: the Rolim de Moura (ROL),

Urupa´ (URU), Jaru´ (JAR), and Machadinho (MAC)

rivers. The drainage area above each sampling site was

delineated and individually characterized in terms of

total cumulative area, population density, river order,

land use, and soil textural characteristics using a digital

library built using the Arc/Info geographic information

system (ESRI, Redlands, California, USA) (Table 1).


S266

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

F

IG

. 3.



Compositional averages of the coarse suspended solids fraction of rivers of the Ji-Parana´ Basin. Error bars represent

Ϯ1

SD



. Site identities: 1, COM1; 2, COM-2; 3, PB1; 4, PB2; 5, JIP1; 6, JIP2; 7, JIP3; 8, JIP4; 9, JIP5; 10, ROL; 11, URU;

12, JAR; 13, MAC.



Sample collection and preparation

At each site, 50–100 L of water were collected from

the river in the middle of the channel at 60% of the

total depth using an electric pump. The water sample

was sieved (

Ͼ63 ␮m) in field in the order to separate

the coarse suspended solid (CSS) fraction, which was

immediately preserved with HgCl

2

, to a final concen-



tration of 100

␮M. The fine suspended solid (FSS)

fraction (

Ͻ63 ␮m and Ͼ0.1 ␮m) and ultrafiltered dis-

solved organic matter (UDOM) fraction (

Ͻ0.1 ␮m and

Ͼ1000 daltons) were isolated in the laboratory with a

Millipore tangential flow ultrafiltration system (model

Pellicon-2; Millipore, Billerica, Massachusetts, USA),

using membrane cartridges having a nominal 0.1-

␮m

pore size (model Durapore VVPP; Millipore) and a



1000-daltons molecular weight nominal cut off (model

PLAC; Millipore), respectively. After filtration, the

material was roto-evaporated and then dried to constant

mass in an oven, both at 50

ЊC. The average percentage

recovery of organic matter in all samples during ultra-

filtration was 98

Ϯ 8%, of which an average of 20 Ϯ

6% was recovered as UDOM, from both forested and

pasture drainage areas.



Lignin oxidation, elemental, and isotopic analysis

Lignin analyses were made according to the CuO

oxidation procedure of Hedges and Ertel (1982) as

modified by Gon˜i and Hedges (1990). Briefly, between

30 to 300 mg of dry sample was oxidized at 155

ЊC for


3 h with CuO under basic (8% NaOH) conditions. The

reaction solution was spiked with a nine-compound gas

chromatography recovery standard mixture (in pyri-


August 2004

S267


ORGANIC MATTER OF AMAZON LOWLAND RIVERS

F

IG



. 4.

Compositional averages of the fine suspended solids fraction of rivers of the Ji-Parana´ Basin. Error bars represent

Ϯ1

SD

. Station codes are as for Fig. 3.



T

ABLE


1.

Characteristics of the studied drainage areas of the southwest Amazon Basin.

Sites

Area (km


2

)

(m

3

/s) Width (m)



Population

(

ϫ 10



2

)

Density (no.



inhabitants/km

2

)



River

order


Pasture

(%)


Forest

(%)


Sand (%) Clay (%)

COM-1


COM-2

PB-1


PB-2

JIP-1


JIP-2

JIP-3


132

5894


152

10 118


17 843

32 793


39 461

···


161

···


205

···


641

···


8

71

16



86

115


239

214


5

269


6

219


680

1516


2509

3.8


4.6

3.9


2.2

37.1


13.5

14.0


3

5

3



6

6

6



6

13

28



8

32

31



39

33

47



65

90

60



62

54

53



44

73

76



66

69

68



67

48

21



19

25

24



24

25

JIP-4



JIP-5

ROL


URU

JAR


MAC

60 494


64 294

1349


4209

7275


3250

1332


···

···


···

···


···

259


329

37

95



68

52

2973



3155

148


492

793


182

10.5


9.8

11.0


11.7

10.9


5.6

7

7



5

5

6



5

40

40



66

43

53



22

53

53



26

50

36



68

65

64



64

67

60



41

26

27



27

23

30



51

Notes: ‘‘Area’’ is the cumulative drainage area. Population numbers are from 1996. is the annual mean discharge from

1999 to 2001. Pasture (%) and forest (%) are the cumulative percentages of pasture and forest; sand (%) and clay (%), are

percentage of sand and clay content in soils (Ballester et al. 2003). Sample site codes are delineated in

Methods.


S268

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

F

IG

. 5.



Compositional averages of the ultrafiltered dissolved organic matter (UDOM) fraction of rivers of the Ji-Parana´

Basin. Error bars represent

Ϯ1

SD

. Station codes are as for Fig. 3.



dine), acidified and extracted with diethyl ether. The

lignin extract was diluted in pyridine, mixed with re-

gisil plus an absolute recovery standard, and analyzed

on a Hewlett Packard 5890 series II gas chromatograph

(Agilent Technologies, Palo Alto, California, USA) fit-

ted with a DB-1 fused-silica capillary column (J&W

Scientific, Folsom, California, USA). Identities of all

phenols were confirmed by mass spectrometry of se-

lected samples vs. commercial standards. The average

analytical precision was

Ϯ10% for the reported lignin

phenols. Organic carbon and nitrogen concentrations

were determined using a Carlo Erba CHN analyzer

(Thermoquest, Rodano, Italy). Isotope measurements

were performed with a Finnigan Delta-E mass spec-

trometer (ThermoFinnigan, Bremen, Germany) fitted

with dual inlet and dual collector systems. Results are

expressed in

13

C and



15

N relative to Pee Dee Bel-



emnite (PDB) and atmospheric N

2

standard, respec-



tively defined as

13



C or

15



N (‰)

ϭ ([R

sam

/

R



std

]

Ϫ 1)



ϫ 1000, where R

sam


and

R

std


are the

13

C:



12

C or


15

N/

14



N

of the sample and standard, respectively. Samples were

analyzed at least in duplicate with a maximum differ-

ence of 0.2‰ between replicates.



Statistical analysis

Most of our data did not follow a normal distribution.

Accordingly we used nonparametric statistical tests. To

test for differences among sampling sites we used the

Mann-Whitney

test. Principal component analyses

(PCA) were performed in order to examine sources of



August 2004

S269


ORGANIC MATTER OF AMAZON LOWLAND RIVERS

F

IG



. 6.

Plot of organic carbon vs. fine suspended sedi-

ments (FSS) for Ji-Parana´ rivers (filled circles), Amazon Riv-

er (open circles), white-water tributaries (open diamonds),

and black-water tributaries (filled diamonds). Values for the

Amazon River and white- and black-water tributaries are from

Hedges et al. (1986, 2000).

T

ABLE



2.

Compositional averages of the coarse and fine fractions of organic matter of rivers of the Ji-Parana´ Basin in

comparison with the Solimo˜es/Amazon main channel, and their white- and black-water tributaries.

Rivers


Size

fraction


13

C



O r g a n i c

C

(mass %)



Total N

(mass %) C:N

Suspended

sediments

(mg/L)



(mg/100 g



organic C) cin:van syr:van

(Ad/


Al)v

Ji-Parana´

Solimo˜es/Amazon†

White-water tributaries†

Black-water tributaries†

Ji-Parana´

Solimo˜es/Amazon

White-water tributaries

Black-water tributaries

coarse


coarse

coarse


coarse

fine


fine

fine


fine

Ϫ29.1


Ϫ28.0

Ϫ28.0


···

Ϫ28.1


Ϫ26.9

Ϫ27.7


Ϫ28.5

8.92


1.08

0.87


1.29

8.04


1.15

1.39


2.32

0.53


0.04

0.04


···

0.72


0.10

0.16


0.23

18.0


24.5

20.6


···

11.5


11.1

8.9


10.2

2.3


69.6

36.4


1.5

20.5


262.3

179.1


14.3

7.81


7.37

6.41


7.99

2.48


2.15

1.74


1.46

0.12


0.07

0.06


0.07

0.16


0.10

0.11


0.09

0.94


0.78

0.69


0.85

0.71


0.84

0.86


0.79

0.27


0.24

0.28


0.25

0.72


0.43

0.55


0.54

Notes: Values reported for

13



C are the deviations (‰) of the

13

C:



12

C of the samples from the same ratio for the PDB

standard; cin:van is the ratio of the sum of cinnamyl phenols to vanillyl phenols; syr:van is the ratio of the sum of syringyl

phenols to vanillyl phenols;

⌳ is the total yield of lignin-derived phenols normalized to 100 mg of organic carbon in the

sample; (Ad/Al)v is the acid-to-aldehyde ratio of vanillyl phenols. White-water tributaries are the rivers Ic¸a, Jurua´, Japura´,

Purus, and Madeira. Black-water tributaries are the rivers Jutaı´ and Negro.

† Data from J. E. Richey (



unpublished data).

variability in the data. Prior to PCA analyses, we unit

normalized our data to have an average of zero and a

standard deviation of one, since they did not follow a

normal distribution. PCA with Varimax rotation was

used to investigate the relationships among basin char-

acteristics, such as altitude, slope, area covered with

pasture and forest, soil texture (percentage of sand, silt,

and clay), and compositional characteristics (

13



C,

15



N, percentage of organic carbon, percentage of total

nitrogen) of the three size fractions. Only variables with

Ͻ20% of missing values were considered in the anal-

ysis.


R

ESULTS


Spatial variability

Most of the sites had low concentrations of bulk

coarse suspended solids, generally

Ͻ3 mg/L. Samples

from site PB-1 were the exception (no. 3, Fig. 3), with

a statistically higher average concentration of 8 mg/L.

Concentrations of bulk fine suspended solids averaged

15–35 mg/L at most sites. The 5 mg/L average at COM-

1 (no. 1, Fig. 4) was the exception and was statistically

lower than the highest concentrations found at ROL

(no. 10, Fig. 4). The mass percentages of organic car-

bon (OC%) in the coarse fraction varied from 6.3%

(JIP-5; no. 9, Fig. 3) to 11.8% (PB-2; no. 4, Fig. 3),

but no significant statistical difference among sampling

sites was detected, partially because the variability at

each sampling site was large (Fig. 3). The same was

true for the ultrafiltered-dissolved organic matter frac-

tion. There was a variation from 2.7% (URU; no. 11,

Fig. 5) up to 14% (JIP-2; no. 6, Fig. 5), but the vari-

ability at each sampling site was also large.

The variability of the OC% levels in the fine fractions

at each sampling site was smaller than in the coarse

and ultrafiltered-dissolved fractions with no statistical

difference among sampling sites (Fig. 4). An inverse

relationship was observed between the OC% in the fine

fraction and fine suspended solids concentrations (Fig.

6). The mass percentages of total nitrogen (TN%) in

all size fractions did not vary significantly among sam-

pling sites, and the variability at each sampling site

was smaller in the fine fraction than in the coarse and

ultrafiltered-dissolved fractions (Figs. 3–5). The C:N

atomic ratio of the coarse fraction varied from 11 (JAR;

no. 12, Fig. 3) to 28 (MAC; no. 13, Fig. 3), with most

values between 15 and 20 (Fig. 3). In spite of this large

variability among sampling sites, no statistical differ-

ence was detected among them. The C:N ratios of the

fine fraction were less variable (9.5–12.5) among sam-


S270

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

T

ABLE


3.

Compositional averages (

Ϯ1

SD

) of the organic matter size fractions of the rivers of the Ji-Parana´ Basin (Rondoˆnia).



Measure

COM-1


COM-2

PB-1


PB-2

JIP-1


JIP-2

Coarse


⌳ (mg/100 g organic C)

(Ad/Al)v


4.83

0.42


8.58

0.28


7.46

0.3


8.33

0.25


8.36

Ϯ 4.17


0.26

Ϯ 0.01


8.73

Ϯ 1.66


0.24

Ϯ 0.01


Fine

⌳ (mg/100 g organic C)

(Ad/Al)v

ND

ND



2.3

0.83


ND

ND

2.51



0.85

2.51


Ϯ 0.06

0.71


Ϯ 0.12

2.82


Ϯ 0.13

0.63


Ϯ 0.13

UDOM


⌳ (mg/100 g organic C)

(Ad/Al)v


ND

ND

ND



ND

ND

ND



ND

ND

0.77



2.07

0.83


2.07

Notes:

⌳ is the total yield of lignin-derived phenols normalized to 100 mg of organic carbon in the sample; (Ad/Al)v is

the acid-to-aldehyde ratio of vanillyl phenols;

ND

, not determined. Sample site and size fraction codes are delineated in



Methods. Standard deviation was not computed when N

Ͻ 3. UDOM is ultrafiltered dissolved organic matter.

pling sites with no statistical differences among them

(Fig. 4). Finally, the C:N ratios of the ultrafiltered frac-

tion had a large variability at each sampling site and

among sampling sites, with no statistical differences

among them (Fig. 5).

The suspended solids concentrations in rivers of the

Ji-Parana´ Basin were significantly smaller than the sus-

pended solids concentrations found in the Amazon Riv-

er and their white-water tributaries, and similar to the

concentrations found in black-water tributaries (Negro

and Jutaı´) of the Amazon River (Table 2). As a con-

sequence, the organic carbon transported in the partic-

ulate form was low. Most of the organic carbon (av-

erage 72%) was transported in a dissolved form

(UDOM): 26% as fine particulate carbon, and only 2%

in the coarse fraction.

The



13



C average values of the coarse fraction varied

only 2.5‰ between the highest (

Ϫ28.5‰; URU; no.

11, Fig. 3) and the lowest (

Ϫ31.0‰; MAC; no. 13,

Fig. 3) values, and no statistical differences were ob-

served among sampling sites. The variability at each

sampling site was not large, with exception of the MAC

(no. 13, Fig. 3). For the fine fraction the same trend

was found, the

13

C varied between



Ϫ26.7‰ (URU;

no. 11, Fig. 4) and

Ϫ30.7‰ (MAC; no. 13, Fig. 4).

With the exception of two high

13

C values of the



UDOM (

Ϫ21.8‰ at ROL; no. 10, Fig. 5; and Ϫ23.4‰

at JAR; no. 12, Fig. 5), the remainder of the values

varied from

Ϫ26 to Ϫ28‰ (Fig. 5).

Due to low suspended-sediment concentrations in

some tributaries of the Ji-Parana´ River, the biochemical

composition (lignin-derived phenols) could not be de-

termined in every sample (Table 3). The carbon nor-

malized yields of total lignin-derived phenols (

⌳, mg/

100 mg organic C) of the coarse fraction varied be-



tween 7 and 9 mg/100 mg organic C, with the exception

of COM-1, where the average concentration was

ϳ5

mg/100 mg organic C (Table 3). However, this lower



value was not statistically different than the others. The

average


⌳ values of the fine fraction were smaller than

the coarse fraction and varied from 2 to 3 mg/100 mg

organic C (Table 3). Finally, the acid:aldehyde ratio of

vanillyl phenols, (Ad/Al)v, of the coarse fraction varied

from 0.24 to 0.30 (Table 3). The exception was a value

of 0.42 found in the COM-1 sampling site. The (Ad/

Al)v of the fine fraction was generally higher than the

coarse fraction, varying from 0.63 to 0.83 (Table 3).

The biochemical composition (

⌳ and [Ad/Al]v) of the

UDOM fraction was determined only for the sampling

sites JIP-1 throughout JIP-4 and only for one sampling

period (Table 3). Therefore, it was not possible to test

for differences between these sampling sites.



Seasonal variability

In order to test for seasonal differences we grouped

the data in high water period (February, March, and

May) and in low water period (June, September, and

November) (Fig. 2). In addition, as we did not, in gen-

eral, find significant differences among sampling sites,

we also grouped samples collected along a river under

the same name in order to have enough statistical power

to run the statistical test. Therefore, we included in this

comparison only rivers with more than one sampling

site, as Comemorac¸a˜o, Pimenta Bueno, and Ji-Parana´

(Table 4).

Most of the seasonal differences were found in the

Ji-Parana´ River. As expected, the bulk coarse average

suspended solids concentration was higher in the high

water period than in the lower water period. The same

was true for the bulk fine average concentration, but

in this case the averages were not statistically different

(Table 4). The OC% and TN% levels were higher in

the low-water period in the three fractions. However,

only for the fine fraction was OC% level statistically

different, and only for the coarse and fine fractions was

the TN% statistically different (Table 4). The average

C:N ratios of the three fractions were smaller during

the low water, but only in the fine fraction was the

difference statistically significant. For each of the three

rivers, average

13



C values of the fine fraction were

statistically lower in the low-water period than in the

high-water period. Finally, the average

15



N value of

the coarse fraction of the Ji-Parana´ River was statis-

tically higher during the low water (Table 4).


August 2004

S271


ORGANIC MATTER OF AMAZON LOWLAND RIVERS

T

ABLE



3.

Extended.

JIP-3

JIP-4


JIP-5

ROL


URU

JAR


MAC

7.46


Ϯ 0.38

0.24


Ϯ 0.01

6.97


Ϯ 2.35

0.26


Ϯ 0.01

7.87


0.25

8.87


0.23

8.17


0.27

ND

ND



ND

ND

2.76



Ϯ 0.50

0.70


Ϯ 0.16

2.07


Ϯ 0.84

0.78


Ϯ 0.22

2.36


Ϯ 0.22

0.68


Ϯ 0.07

ND

ND



ND

ND

ND



ND

ND

ND



0.73

2.72


0.58

2.2


ND

ND

ND



ND

ND

ND



ND

ND

ND



ND

Compositional differences among size fractions

The bulk fine suspended solids concentrations were

statistically higher than the bulk coarse concentrations

(Table 5). The average OC% and TN% levels were only

statistically higher in the UDOM fraction. The C:N

average ratio of the fine fraction was statistically small-

er than the ratios of the coarse and UDOM fractions

(Table 5). The

13

C values statistically increased with



decreasing size fraction, with a difference of

ϳ2.5‰


between the coarse and UDOM fraction. The average

15



N value of the UDOM fraction was statistically high-

er than the coarse and fine fractions. The carbon nor-

malized yields of total lignin-derived phenols (

⌳, mg/


100 mg organic C) statistically decreased with decreas-

ing size fraction and the (Ad/Al)v statistically in-

creased with decreasing size fraction (Table 5).

Sources of organic matter to rivers of the

Ji-Parana´ Basin

We compared elemental composition (OC% and

N%), stable isotopes characteristics (

13



C and

15



N),

and biochemical composition (

⌳ and [Ad/Al]v) of the

size fractions of the Ji-Parana´ Basin rivers with poten-

tial end members. Based on previous work of Hedges

et al. (1986, 2000) and Martinelli et al. (1999), we

selected as potential organic-matter sources forest soil

organic matter, pasture soil organic matter, tree leaves

(C

3

type), and grass leaves (C



4

type). As there were no

significant differences between sampling sites, we

grouped Ji-Parana´ sites together and focused on com-

positional differences between the three size fractions.

The fine and the coarse fractions of the Ji-Parana´ Rivers

were characterized by high concentrations of carbon

and nitrogen. A plot of these two parameters produced

significant correlation coefficients for the particulate

organic matter (



r

2

ϭ 0.74 for coarse and r



2

ϭ 0.72 for

fine) and no correlation for the ultrafiltered organic

matter (Fig. 7, UDOM data not shown). Both lines have

a small positive intercept in the OC% axis that is not

statistically different from zero, indicating that most of

the nitrogen was in an organic form (Hedges et al.

1986). The three fractions had, in general, higher car-

bon and nitrogen concentrations than Rondoˆnia soils

and smaller concentrations than found in leaves (Fig.

7). The



13



C and

15



N values of the fine and coarse

fractions were similar to values found in the soil or-

ganic matter of Rondoˆnia forest soils. The coarse frac-

tion had the most negative

13

C values, which places



this fraction nearest to tree leaves compositionally (Fig.

8). The UDOM fraction had higher

13

C and



15

N values



than the particulate fractions, and the

13



C average val-

ue was higher than values found in the soil organic

matter (Fig. 8). None of the three fractions had

13



C

values similar to C

4

leaves; consequently, the three



fractions plotted distant from the C

4

leaves average in



Fig. 8. The same occurred when

13



C values were plot-

ted as a function of N:C ratios (the inverse of the con-

ventional C:N is required so that both axes are math-

ematically independent; Fig. 9). The fine and UDOM

fractions plotted near forest soils, whereas the coarse

fraction plotted between tree leaves and forest soils,

but both fractions plotted far from soil organic matter

of pastures of different ages (Fig. 9). High syringyl:

vanillyl and cinnamyl:vanillyl ratios, specific phenols

from lignin, were measured in coarse size fractions

followed by the fine size fractions. Similar values were

found for Amazon rivers and its tributaries (Table 2

and Fig. 10).

Organic degradation

The acid to aldehyde ratio of lignin vanillyl phenols,

(Ad/Al)v, is a robust indicator of lignin decomposition,

with values increasing with progressive degradation by

fungi and bacteria (Hedges et al. 1988, Opsahl and

Benner 1995). For samples from the Ji-Parana´, the (Ad/

Al)v ratio increases from the larger to the smaller size

fraction, corresponding to a decrease of total yields of

lignin-derived phenols (Fig. 11A). This trend indicates

a progressive loss of lignin during the degradation pro-

cess, as was observed for the coarse and fine fractions

of the Amazon River (Fig. 11A; Ertel et al. 1986). Fig.

11B shows that as the riverine fractions become more

degraded (coarse

Ͻ fine Ͻ UDOM) there was a pro-

gressive increase in

13

C. Such a trend is expected for



a standard isotope effect in which carbonaceous resi-

dues became progressively

13

C enriched, as less strong-



ly bonded

12

C carbons are preferentially lost.



S272

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

T

ABLE


4.

Compositional averages (

Ϯ1

SD

) of the three organic matter size fractions of the rivers Comemorac¸a˜o, Pimenta



Bueno, and Ji-Parana´, grouped according the water level.

Measure


Comemorac¸a˜o

High


Low

Pimenta


Bueno

High


Coarse

N

13



C

15



N

Organic C (mass %)

Total N (mass %)

C:N


Suspended sediments (mg/L)

4

Ϫ29.0 Ϯ 0.4



3.8

Ϯ 0.4


9.9

Ϯ 6.9


0.54

Ϯ 0.37


19

Ϯ 2.1


2.88

Ϯ 2.11


6

Ϫ29.1 Ϯ 0.3

4.4

Ϯ 0.2


8.4

Ϯ 2.8


0.43

Ϯ 0.15


19.4

Ϯ 1.2


1.34

Ϯ 0.68


4

Ϫ29.2 Ϯ 0.1

3.5

Ϯ 0.6


12.5

Ϯ 7.5


0.59

Ϯ 0.39


21.0

Ϯ 1.7


7.50

Ϯ 3.60


Fine

N

13



C

15



N

Organic C (mass %)

Total N (mass %)

C:N


Suspended sediments (mg/L)

3

Ϫ27.7



a

Ϯ 0.5


4.4

Ϯ 4.2


8.7

Ϯ 6.4


0.81

Ϯ 0.64


11.3

Ϯ 2.2


27.6

Ϯ 26.9


5

Ϫ28.6


b

Ϯ 0.4


3.9

Ϯ 0.8


10.7

Ϯ 2.3


0.80

Ϯ 0.20


13.6

Ϯ 1.3


8.05

Ϯ 8.92


3

Ϫ27.6


a

Ϯ 0.4


3.2

Ϯ 1.2


7.4

Ϯ 3.1


0.69

Ϯ 0.29


10.9

Ϯ 1.1


25.4

Ϯ 23.1


UDOM

N

13



C

15



N

Organic C (mass %)

Total N (mass %)

C:N


1

Ϫ27.6


7.5

14

0.35



40.1

3

Ϫ27.2 Ϯ 0.9



9.7

Ϯ 2.3


3.5

Ϯ 1.7


1.72

Ϯ 1.44


5.6

Ϯ 7.4


1

Ϫ27.2


9.3

10.6


0.42

25.3


Notes: Values reported for

13



C are the deviations (‰) of the

13

C:



12

C of the samples from the same ratio for the PDB

standard;

15



N are the deviations (‰) of the

15

N:



14

N of the samples from the same ratio for the atmospheric N

2

stable isotope



standard. Standard deviation was not computed when

N

Ͻ 3. ‘‘High’’ denotes the high-water period (February–May) and

‘‘Low’’ denotes the low-water period (June–November). UDOM is ultrafiltered dissolved organic matter. Different letters

indicate statistically significant differences between averages.



Principal component analysis

The communality for each variable, which represents

the fraction of each variable that is explained by the

retained factor, were typically higher than 65%. The

last lines of Tables 6–8 express the percentages of var-

iance explained by each factor. For the coarse fraction,

PCA explained 80.6% of the variability of the data.

The first two factors explained 24.5% and 24.1% of the

data variability, respectively. The third and fourth fac-

tors explained 17.5% and 14.5%, respectively. The first

factor had significant loadings for

15



N and soil clay

content (Table 6). The second factor had high loading

for



13



C and pasture area and soil silt content. The third

factor is loaded with OC% and TN% and fourth factor

with forest area, altitudes, and slopes. For the fine frac-

tion, PCA explained 78.3% of the variability of the

data. The first factor alone explains almost 29% of the

variability and had significant loadings for

13

C and



15

N with pasture area and silt (Table 7). The second



factor, which explains 25% of the variability had sig-

nificant loadings especially for soil sand and clay con-

tents. The third factor explains

ϳ15% of the variability

and significant loads are OC% and TN%. The fourth

factor explains only 10% of the variability and links

mainly forest area, and altitudes and slopes. Finally,

the UDOM explained 78.8% of the data variability. The

first factor explains 23.5% of the variability, and had

significant loadings again for

13

C and pasture area



(Table 8). The second factor had high loadings only

for soil clay content. The third factor had high loadings

for



15



N, OC%, and TN%. The fourth factor had high

loadings for forest area, altitude, and slopes.

D

ISCUSSION



The rivers of the Ji-Parana´ Basin originate mostly in

the lowlands of the Rondoˆnia State and drain mainly

the Precambrian Brazilian Shield (Fig. 1). Consequent-

ly, these rivers have lower sediment concentrations

than white-water rivers of the Amazon Basin that have

their headwaters in the Andes or in the Andes foothills,

and are more similar to other black-water tributaries of

the Amazon system such as the Negro and the Jutaı´.

This geomorphological context has important impli-

cations for the source of organic matter to rivers in the

Amazon. For instance, because of the increase in the

13



C composition of C

3

plants with increasing eleva-



tion, the vegetation of the Andes is a source of

13

C-



rich particulate matter to the Amazon main channel

(Quay et al. 1992). Progressively, this

13

C-rich organic



matter is replaced and diluted by

13

C-poor organic mat-



ter produced in the Amazon lowlands. Consequently,

the


13

C values of the fine and coarse organic matter



August 2004

S273


ORGANIC MATTER OF AMAZON LOWLAND RIVERS

T

ABLE



4.

Extended.

Pimenta

Bueno


Low

Ji-Parana´

High

Low


6

Ϫ28.9 Ϯ 0.3

4.2

Ϯ 0.8


8.1

Ϯ 3.8


0.43

Ϯ 0.21


19.0

Ϯ 1.4


4.47

Ϯ 6.21


14

Ϫ28.9 Ϯ 0.4

4.8

a

Ϯ 1.1



7.3

Ϯ 4.2


0.40

a

Ϯ 0.23



18.3

Ϯ 2.1


3.42

a

Ϯ 1.80



19

Ϫ28.9 Ϯ 0.9

6.5

b

Ϯ 1.1



9.4

Ϯ 3.5


0.63

b

Ϯ 0.25



15.2

Ϯ 2.9


0.85

b

Ϯ 0.58



5

Ϫ28.6


b

Ϯ 0.5


4.4

Ϯ 0.9


6.5

Ϯ 1.8


0.54

Ϯ 0.17


12.3

Ϯ 1.2


19.7

Ϯ 12.5


14

Ϫ27.5


a

Ϯ 0.5


5.2

Ϯ 1.5


6.8

a

Ϯ 1.0



0.54

a

Ϯ 0.09



12.6

a

Ϯ 1.0



25.8

Ϯ 7.1


19

Ϫ28.4


b

Ϯ 1.1


5.5

Ϯ 0.8


8.3

b

Ϯ 1.1



0.80

b

Ϯ 0.21



10.8

b

Ϯ 2.4



21.5

Ϯ 10.3


3

Ϫ25.7 Ϯ 3.5

11.2

Ϯ 5.8


5.4

Ϯ 2.4


1.06

Ϯ 0.85


8.7

Ϯ 6.9


10

Ϫ27.1 Ϯ 0.8

7.6

Ϯ 1.0


11.4

Ϯ 5.8


0.58

Ϯ 0.18


21.7

Ϯ 11.8


13

Ϫ26.9 Ϯ 1.7

6.6

Ϯ 2.1


12.6

Ϯ 7.5


1.08

Ϯ 1.12


19.4

Ϯ 10.0


T

ABLE


5.

Compositional averages (

Ϯ1

SD

) of the three organic matter size fractions.



Fraction

13



C (‰)

15



N (‰)

Organic C

(mass %)

Total N


(mass %)

C:N


Suspended

sediments

(mg/L)

⌳ (mg/100 g



organic C)

(Ad/Al)v


Coarse

Fine


UDOM

Ϫ29.1


a

Ϯ 1.0


Ϫ28.1

b

Ϯ 1.2



Ϫ26.7

c

Ϯ 1.8



5.4

a

Ϯ 1.7



5.0

a

Ϯ 1.5



7.9

b

Ϯ 2.6



8.9

a

Ϯ 4.4



8.0

a

Ϯ 2.3



9.8

b

Ϯ 6.7



0.53

a

Ϯ 0.27



0.72

a

Ϯ 0.25



0.85

b

Ϯ 0.88



18

a

Ϯ 7



12

b

Ϯ 2



18

a

Ϯ 11



2.3

a

Ϯ 2.9



20.5

b

Ϯ 12.5



7.81

a

Ϯ 1.71



2.48

b

Ϯ 0.72



0.73

c

Ϯ 2.27



0.27

a

Ϯ 0.05



0.72

b

Ϯ 0.14



2.27

c

Ϯ 0.31



Notes: Values reported for

13



C are the deviations (‰) of the

13

C:



12

C of the samples from the same ratio for the PDB

standard;

15



N are the deviations (‰) of the

15

N:



14

N of the samples from the same ratio for the atmospheric N

2

stable isotope



standard;

⌳ is the total yield of lignin-derived phenols normalized to 100 mg of organic carbon in the sample; (Ad/Al)v is

the acid-to-aldehyde ratio of vanillyl phenols. UDOM is ultrafiltered dissolved organic matter. Different letters indicate

statistically significant differences between averages.

become more negative downstream (Quay et al. 1992,

Hedges et al. 2000). This is one of the major changes

in the composition of the particulate organic matter of

the entire Amazon Basin, and sharply contrasts with

the elemental and biochemical uniformity of the lower

main stem which experiences few changes over a river

reach of

ϳ2000 km (Hedges et al. 1992). The same

lack of pronounced changes in the bulk composition

of the riverine organic matter was observed within size

fractions sampled over a stretch of the Beni River, ex-

tending from its headwater near to the city of La Paz

(first order streams) to its confluence with the Madre

de Dios River in the southeast Amazon region (Hedges

et al. 2000). Investigating a 970-km stretch of the Ji-

Parana´ River we reached the same conclusion. Differ-

ences in the elemental, biochemical, and stable isotope

composition were not very different among the main

channel or subject to significant downstream changes.

On the other hand, we observed compositional differ-

ences among the fine, coarse, and dissolved organic

fractions from the same water samples. Another im-

portant similarity between the Ji-Parana´ River and the

major rivers of the Amazon Basin is that both appear

to share common organic-matter sources. The three size

fractions appear to have a common source: tree leaves

and soil organic matter from the tropical rainforest. We

reached this conclusion for the Ji-Parana´ Basin based

on the fact that the three fractions exhibit compositions

near those of the tree leaf and soil organic-matter end

members (Figs. 3, 4, and 5). Secondly, the Ji-Parana´

size fractions plotted near the Amazon River particles,

suggesting that both systems have similar organic-mat-

ter sources. The organic degradation stages of the size

fractions in the Ji-Parana´ Basin also appear to be sim-

ilar to what has been found in other Amazonian and

South American rivers (Martinelli et al. 1999, Hedges

et al. 2000, Devol and Hedges 2001, Krusche et al.

2002). The coarse fraction of the Ji-Parana´ River ap-

pears to be the least degraded and resembles the re-

mains of tree leaves (Fig. 11A). The relatively high

syringyl/vanillyl and cinnamyl/vanillyl ratios measured

in coarse and fine size fractions indicate that an im-

portant amount of lignin in Ji-Parana´ Basin originates

from non-woody angiosperm plants (Fig. 10). The fine

fraction is more degraded than the coarse fraction and

during this process there was a loss of lignin-derived

phenols and an increase in the

13

C values (Fig. 11).



Although the fine fraction is more degraded, this frac-

tion is richer in nitrogen (Figs. 7 and 9). This char-

acteristic was also found in other rivers of the Amazon

(Hedges et al. 2000) and also in rivers of southeast

Brazil (Krusche et al. 2002). This N enrichment is prob-

ably due to the fact that nitrogenous organic matter

selectively accumulates in the fine fractions with time

by preferential sorption on soil minerals before they

are eroded into aquatic systems (Hedges et al. 2000,

Aufdenkampe et al. 2001). In addition, nitrogen-rich

remains of microbial fauna tend to concentrate in fine-

grain minerals (Hedges and Oades 1997, Amelung et

al. 1999). Finally, the most degraded fraction appears

to be the ultrafiltered dissolved organic material

(UDOM; Fig. 11).


S274

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

F

IG

. 7.



(A) Plot of organic carbon vs. total nitrogen for

Ji-Parana´ coarse fractions (open squares), fine fractions (open

circles), leaf end members (rectangles representing the dis-

tribution of C

4

leaves from pastures and C



3

leaves from for-

ests), and soils of Rondoˆnia (filled circles). (B) Zoom of

region outlined in (A). (C) Plot of organic carbon vs. total

nitrogen for the Amazon River coarse (open square) and fine

(open circle) fractions. Values are from the following sources:

tree leaves, L. A. Martinelli and J. E. Ehleringer (

unpublished

data); Rondoˆnia soils, M. V. Ballester (unpublished data);

Manaus and Santare´m soils, E. V. Telles (



unpublished data);

Amazon River coarse and fine fractions, Hedges et al. (1986).

F

IG

. 8.



Plot of

15



N vs.

13



C for the three size fractions

(coarse, fine, and ultrafiltered dissolved organic matter

[UDOM]; error bars represent

Ϯ1

SD



) and the following end

members: C

4

leaves from pastures; C



3

leaves from forests,

and C

3

leaves from soil organic matter (boxes represent the



distribution of all points). Values are from the following

sources: C

4

leaves from pasture were collected in Santare´m



(L. A. Martinelli and J. E. Ehleringer,

unpublished data); tree

leaves were collected in Ji-Parana´, Santare´m, and Manaus (L.

A. Martinelli and J. E. Ehleringer,

unpublished data); forest

soil organic matter was collected in forests near Manaus and

Santare´m (E. V. Telles,

unpublished data).

In general, the compositional differences between

the Ji-Parana´ River, the Amazon River, and the Amazon

major tributaries were not large enough to indicate dif-

ferent organic matter sources among the rivers. The

exception is the higher carbon and nitrogen concentra-

tions in the coarse and fine fractions of rivers of the

Ji-Parana´ Basin in comparison with the Amazon River

and its major white-water tributaries (Table 2), includ-

ing the Beni Basin (Hedges et al. 2000). Even the heavi-

ly sewage-contaminated rivers of the Piracicaba Basin

had lower carbon and nitrogen concentration in these

fine and coarse fractions (Krusche et al. 2002). We do

not have a good explanation for these much higher C

and N concentrations in the coarse and fine fractions

of Ji-Parana´ rivers. One possible explanation indepen-

dent of recent land-cover alterations would be that riv-

ers of the Ji-Parana´ Basin drain mainly lowland forests,

which constitute a continuous source of organic matter

with little diluting mineral matter. The suspended solids

concentration is an order of magnitude smaller in the

Ji-Parana´ Basin in comparison to the Solimo˜es/Amazon

River and its white-water tributaries (Table 2). This

explanation is consistent with lower

13

C values found



in the coarse and fine particles of Ji-Parana´ rivers in

relation to the white-waters Amazon rivers, which drain

high altitude regions of the Andean mountains that are

a source of

13

C-enriched organic matter (Quay et al.



1992, Hedges et al. 2000). A similar situation occurs

in the Jutaı´ and Negro rivers (black-water tributaries)

that drain exclusively Amazonian lowlands and com-

bine lower OC% and TN% levels with lower

13

C val-



ues than white-water rivers (Table 2). The fine fractions

of the Ji-Parana´ rivers follow the classic inverse rela-

tionship between OC% and suspended solids concen-

trations (Fig. 6). The majority of the particulate organic

matter in the Amazon main stem is associated with

mineral grains and is a direct function of the total sur-



August 2004

S275


ORGANIC MATTER OF AMAZON LOWLAND RIVERS

F

IG



. 9.

Plot of N:C ratio vs.

13

C for the



three size fractions (coarse, fine, and ultrafil-

tered dissolved organic matter [UDOM]; error

bars represent

Ϯ1

SD



) and the following end

members: tree leaves from forests; forest soil;

soil covered with a pastures of age 3–5 yr, 7–

13 yr, 20 yr, and 80 yr (boxes represent the

distribution of all points). Tree leaves were col-

lected in Ji-Parana´, Santare´m, and Manaus (L.

A. Martinelli and J. E. Ehleringer,

unpublished

data); forest soil organic matter was collected

in forests near Manaus and Santare´m (E. V.

Telles,

unpublished data); pasture soils were

collected at several sites in the Rondoˆnia State

(Neill et al. 1997).

F

IG



. 10.

Plot of syringyl:vanillyl ratio vs. cinnamyl:van-

illyl ratio for the three size fractions (coarse, fine, and ul-

trafiltered dissolved organic matter [UDOM]; error bars rep-

resent

Ϯ1

SD



); coarse and fine fractions of the Amazon River

(boxes represent the distribution of all points); and forest tree

leaves as end members (boxes represent the distribution of

all points). Values for the Amazon coarse and fine fractions

and leaf end members are from Hedges et al. (1986).

F

IG



. 11.

Plots of acid:aldehyde ratio of vanillyl phenols

((Ad/Al)v) vs. (A) carbon-normalized yields of total lignin-

derived phenols (

⌳) and (B) ␦

13

C for the three size fractions



(coarse, fine, and ultrafiltered dissolved organic matter

[UDOM]; error bars represent

Ϯ1

SD

), the coarse and fine



fractions of the Amazon River (boxes represent the distri-

bution of all points), and forest tree leaves as end members

(boxes represent the distribution of all points). Values for the

Amazon coarse and fine fractions and leaf end members are

from Hedges et al. (1986).

face area of suspended sediment particles, i.e., pro-

portionately more carbon is attached to smaller parti-

cles (Keil et al. 1994). If the same association holds

for the Ji-Parana´ Basin, it is likely that, in addition to

the lack of dilution of the particulate organic matter by

higher suspended particles concentrations, a higher

proportion of the particulate organic matter load is

transported by smaller particles, with proportionately

more surface area than the Amazon main stem and its

white-waters tributaries.

The land cover of the Rondoˆnia State, and especially

of the Ji-Parana´ Basin, has experienced significant

changes in the last 30–40 yr. Approximately 35% of

the area of the Ji-Parana´ Basin has been altered, the

main change being the replacement of the original for-

est by pastures, which in 1999 occupied 30% of this

basin (Ballester et al. 2003). In some sub-basins, such

as the Rolim de Moura, the area covered with pastures

reaches almost 70% (Table 1). In the basins of the rivers

Urupa´ and Jaru´, approximately half of the forest has

been replaced by pasture (Table 1). Less-altered areas

are located primarily in the lower portions of the basin,

which includes the sub-basins of the rivers Machad-

inho, JIP-4, and JIP-5 (Table 1).

The fact that essentially all pastures in the Ji-Parana´

Basin are cultivated with C

4

grass species provides an



opportunity to test whether large land-use changes have

S276

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

T

ABLE


6.

Matrix of component loading of principal component analysis for the coarse organic

matter fraction.

Variable


Factor 1

Factor 2


Factor 3

Factor 4


Communalities

(%)†


13

C



15

N



Organic C (%)

Total N (%)

Forest (%)

Pasture (%)

0.69

0.31


0.79

0.81


0.96

0.87


0.25

0.81


82

77

95



86

87

86



Sand (%)

Clay (%)


Silt (%)

Altitude


Slope

Variance (%)

0.85

0.45


24.5

0.78


24.1

0.30


17.5

0.79


0.92

14.5


86

85

86



86

86

80.6



Note: Only factors larger than 0.2 are shown.

† The percentage of variance accounted for by the current number of factors.

T

ABLE


7.

Matrix of component loading of principal component analysis for the fine organic

matter fraction.

Variable


Factor 1

Factor 2


Factor 3

Factor 4


Communalities

(%)†


13

C



15

N



Organic

Total N


Forest

Pasture


0.85

0.61


0.85

0.40


0.33

0.97


0.95

0.37


0.79

85

75



94

94

80



84

Sand (%)


Clay (%)

Silt (%)


Altitude

Slope


Variance (%)

0.83


28.5

0.98


0.97

25.0


14.6

0.85


0.78

10.2


97

96

84



81

75

78.3



Note: Only factors larger than 0.2 are shown.

† The percentage of variance accounted for by the current number of factors.

already affected the compositional characteristics of

the organic-matter size fractions carried into this basin.

This is because C

4

grasses have



13

C values varying



between

Ϫ11 and Ϫ14‰, while forest C

3

leaves in the



tropics have characteristically low

13



C values, varying

from


Ϫ28 to Ϫ34‰ (Farquhar et al. 1989, Martinelli

et al. 1998). In ecosystems where C

4

grasses naturally



occur, their presence can be detected either in the soil

(Cerri and Volkoff 1987) or in river particles (Mariotti

et al. 1991, Bird et al. 1994, 1998). In agricultural

ecosystems, where an original C

3

forest has been re-



placed by some kind of C

4

plants, the C



4

-derived or-

ganic matter quickly becomes incorporated into the sur-

face soil layers (Cerri et al. 1985, Vitorello et al. 1989,

Moraes et al. 1996, Neill et al. 1996, 1997). For in-

stance, the

13

C value of the surface soil layer sampled



at the Fazenda Nova Vida, 120 km north of the city of

Ji-Parana´,

changed

from


Ϫ28.1‰ to Ϫ24.7‰,

Ϫ20.6‰, and Ϫ18.3‰ after 3, 9, and 20 yr of pasture

cultivation, respectively (Neill et al. 1996, 1997). New-

ly introduced C

4

material appears also to be quickly



incorporated in the aquatic systems. A preliminary in-

vestigation in this cattle ranch (Fazenda Nova Vida)

on the stable isotopic composition of riverine organic

matter size fractions of a first order stream, suggests

that changes start in small streams. We found a change

in the


13

C of the fine fraction from



Ϫ27.2‰ to

Ϫ20.5‰ when a small stream (ϳ3 m width) leaves the

forest and enters in a pasture in a reach of only 100

m, (L. F. Charbel,



unpublished data). The same riverine

organic matter dynamic was observed in rivers of the

Piracicaba River basin, where the introduction of C

4

agricultural fields occurred 70–80 year ago and an in-



crease in the

13



C values of the size fractions was de-

tected (Martinelli et al. 1999). This replacement, from

forest to sugar cane or pasture, was mainly associated

with faster cycling fraction (UDOM), while the original

vegetation remains were mainly associated with slower

cycling fractions (CSS and FSS) (Krusche et al. 2002).

In the Amazon River and in the Beni River, areas cov-

ered mainly by C

4

grasses had the UDOM fraction with



the heaviest

13



C values in relation to the fine and

coarse fraction (Hedges et al. 1986, 2000). Conversely,



August 2004

S277


ORGANIC MATTER OF AMAZON LOWLAND RIVERS

T

ABLE



8.

Matrix of component loading of principal component analysis for the unfiltered

dissolved organic matter (UDOM) fraction.

Variable


Factor 1

Factor 2


Factor 3

Factor 4


Communalities

(%)†


13

C



15

N



Organic

Total N


Forest

Pasture


0.83

0.93


0.27

0.40


0.80

0.81


0.70

0.88


79

75

79



77

83

91



Sand (%)

Clay (%)


Silt (%)

Altitude


Slope

Variance (%)

0.74

23.5


0.99

0.30


20.1

19.8


0.91

0.79


15.4

99

98



78

86

83



78.8

Note: Only factors larger than 0.2 are shown.

† The percentage of variance accounted for by the current number of factors.

in areas where C

4

grasses are not important, the



13

C



of the UDOM fraction was lightest.

Comparisons of

13

C average values for the three



size fractions with those of tree leaves and forest soils

(Figs. 8 and 9) did not allow us to detect a major signal

of the presence of C

4

-derived organic matter in the main



channel of the Ji-Parana´ River. The average defores-

tation extent of the all sampled basins is relatively low

(

ϳ30%), which may alone account for the low riverine



signal. On the other hand, the PCA developed with all

data showed correlations between the areas covered

with pasture and the

13



C values of the three size frac-

tions (Tables 6–8). In addition, the highest

13

C values



of our results were observed in the UDOM of the Ro-

lim-de-Moura and Jaru´ rivers, which have among the

highest areas covered with pasture (Table 1). The lower

the order of the streams and the higher the pasture area,

greater is the possibility that the C

4

-derived organic



matter signal will be detected first in the faster-cycling

fraction (UDOM).

The fact that we found a strong correlation between

pasture area and

13

C values of the three size fractions



suggests that the large-scale deforestation in Rondoˆnia

State, started in early 1970, is affecting the origin of

the carbon in the Ji-Parana´ River basin. The extent of

changes in the carbon isotopic composition of size frac-

tions in the Ji-Parana´ Basin should be investigated in

more detail. However, the strong association among

13

C values, pasture area and soils texture, suggests



that soil texture may have a strong influence on how

the C


4

signal moves from the terrestrial to the aquatic

system. In the Congo River Basin, Mariotti et al. (1991)

noticed that, in areas where there was a predominance

of sandy soils, the

13



C of riverine size fractions was

controlled mainly by riparian vegetation. In contrast,

in areas of the basin where clay-texture soils predom-

inate, the entire vegetation cover of the basin was the

most important factor. Riparian vegetation in Rondoˆnia

rivers has a predominance of forests with C

3

plants. A



preliminary survey of the soil texture of the A horizon

in Rondoˆnia State revealed a high percentage of sand

in several sub-basins of the Ji-Parana´ Basin (Table 1).

Therefore, depending on the soil texture, riparian forest

vegetation could be more important than the area of

the basin covered with pasture (Mariotti et al. 1991,

McClain et al. 1997).

C

ONCLUSIONS



Most of the earlier studies in the Amazon Basin riv-

ers focused on rivers that had their headwaters in the

Andes or sub-Andean regions (Hedges et al. 1986,

1994, 2000). These rivers are characterized by high

suspended solids concentrations (white-water rivers),

and their riverine organic matter has two geographi-

cally distinct allochthonous sources, the Andean region

and the Amazon lowlands. The rivers that we inves-

tigated in this study have their drainage basin almost

exclusively in the Amazon lowlands, draining mainly

the Precambrian shield. These clear to black-water riv-

ers have a lower concentration of suspended solids, and

lowlands are their only sources of allochthonous or-

ganic matter. Therefore, the results of this study extend

our knowledge about the composition and dynamics of

size fractionated organic matter over South America

river types that have not been extensively investigated

in the past.

The principal differences that were observed for the

Ji-Parana´ river system included higher carbon and ni-

trogen concentration found in the three size fractions

of Ji-Parana´ rivers in comparison with Amazon white-

water and black-water tributaries (Table 3). We do not

have a definite explanation for these differences.

However, some of the characteristics of organic mat-

ter from white-water rivers were similar for rivers of

the Ji-Parana´ Basin. For instance, we observed com-

positional differences between the three size fractions

that suggested substantial differences in the stages of

degradation between size fractions despite similar or-

ganic matter sources. The coarse fraction is the least

degraded and its main source appears to be leaves from



S278

MARCELO C. BERNARDES ET AL.

Ecological Applications

Special Issue

lowland forests (Devol and Hedges 2001). The fine

fraction is mostly associated with a mineral soil phase,

but its ultimate source appears also to be leaves from

forests. This fraction was also enriched in nitrogen as

for other rivers of the Amazon. The ultrafiltered-dis-

solved organic fraction appears to have the same source

as the coarse fraction, but this is the most degraded

fraction.

Although the organic matter transported throughout

the main channel of the Ji-Parana´ River seems to share

the same sources as the Amazon Rivers, principal com-

ponent analysis showed high communality for factors

explained by the variables

13



C and pasture area in all

three size fractions. The highest

13

C values were ob-



served in the UDOM of the sub-basins with the highest

areas covered by pasture.

Finally, the large change in land-use in the Ji-Parana´

Basin, replacement of primary forests by C

4

pastures


for cattle feeding, that has taken place in the last 30–

40 yr, has already changed the composition of the riv-

erine organic matter size fractions. Any attempt to un-

derstand those changes must take into account the fast-

er-cycling fraction (UDOM) and the low-order streams.

A

CKNOWLEDGMENTS



We thank John Melack, Trent Biggs, and one anonymous

reviewer for providing valuable comments and discussion to

the manuscript. This work was supported by FAPESP (Proc.

01/07580-5 and Projeto Tema´tico 99/01159-4) and by NASA–

LBA Ecology (CD-06 and ND-09).

L

ITERATURE



C

ITED


Amelung, W., R. Bol, and C. Friedrich. 1999. Natural C-13

abundance: a tool to trace the incorporation of dung-derived

carbon into soil particle-size fractions. Rapid Communi-

cations in Mass Spectrometry 


Download 332.19 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:
  1   2




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling