Soil quality response to land-use change for sugarcane expansion in Brazil

Globally, increasing demands for biofuels have intensified the rate of land-use change (LUC) for expansion of bioenergy crops. In Brazil, the world\'s largest sugarcane-ethanol producer, sugarcane area has expanded by 35% (3.2 Mha) in the last decade. Sugarcane expansion has resulted in extensive pastures being subjected to intensive mechanization and large inputs of agrochemicals, which have direct implications on soil quality (SQ). We hypothesized that LUC to support sugarcane expansion leads to overall SQ degradation. To test this hypothesis we conducted a field-study at three sites in the central-southern region, to assess the SQ response to the primary LUC sequence (i.e., native vegetation to pasture to sugarcane) associated to sugarcane expansion in Brazil. At each land use site undisturbed and disturbed soil samples were collected from the 0-10, 10-20 and 20-30 cm depths. Soil chemical and physical attributes were measured through on-farm and laboratory analyses. A dataset of soil biological attributes was also included in this study. Initially, the LUC effects on each individual soil indicator were quantified. Afterward, the LUC effects on overall SQ were assessed using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). Furthermore, six SQ indexes (SQI) were developed using approaches with increasing complexity. Our results showed that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture led to soil acidification, significant depletion of soil organic carbon (SOC) and macronutrients [especially phosphorus (P)] and severe soil compaction, which creates an unbalanced ratio between water- and air-filled pore space within the soil and increases mechanical resistance to root growth. Conversion from pasture to sugarcane improved soil chemical quality by correcting for acidity and increasing macronutrient levels. Despite those improvements, most of the P added by fertilizer accumulated in less plant-available P forms, confirming the key role of organic P has in providing available P to plants in Brazilian soils. Long-term sugarcane production subsequently led to further SOC depletions. Sugarcane production had slight negative impacts on soil physical attributes compared to pasture land. Although tillage performed for sugarcane planting and replanting alleviates soil compaction, our data suggested that the effects are short-term with persistent, reoccurring soil consolidation that increases erosion risk over time. These soil physical changes, induced by LUC, were detected by quantitative soil physical properties as well as by visual evaluation of soil structure (VESS), an on-farm and user-friendly method for evaluating SQ. The SMAF efficiently detected overall SQ response to LUC and it could be reliably used under Brazilian soil conditions. Furthermore, since all of the SQI values developed in this study were able to rank SQ among land uses. We recommend that simpler and more cost-effective SQI strategies using a small number of carefully chosen soil indicators, such as: pH, P, K, VESS and SOC, and proportional weighting within of each soil sectors (chemical, physical and biological) be used as a protocol for SQ assessments in Brazilian sugarcane areas. The SMAF and SQI scores suggested that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture depleted overall SQ, driven by decreases in chemical, physical and biological indicators. In contrast, conversion from pasture to sugarcane had no negative impacts on overall SQ, mainly because chemical improvements offset negative impacts on biological and physical indicators. Therefore, our findings can be used as scientific base by farmers, extension agents and public policy makers to adopt and develop management strategies that sustain and/or improving SQ and the sustainability of sugarcane production in Brazil.

Adequabilidade ambiental dos biomas brasileiros à ocorrência do lobo-guará (Chrysocyon brachyurus) e efeitos da composição da paisagem em sua ecologia espacial, atividade e movimentação

O lobo-guará é uma espécie de ampla distribuição na América do Sul, tendo no Brasil sua maior área de ocorrência. No entanto, as modificações das áreas naturais principalmente destinadas à agropecuária tornam a espécie vulnerável à extinção. A investigação objetivou conhecer em larga escala a área de distribuição potencial gerada por atributos ambientais favoráveis e áreas adequadas à sua ocorrência nos biomas brasileiros e investigar como a espécie responde à estrutura da paisagem, avaliando os efeitos de ambientes modificados pelo homem na sua ecologia espacial, nos padrões de atividade e na movimentação. Modelos de distribuição de espécie foram gerados pelo Maxent, utilizando uma base de pontos de localização de presença a partir de 2000 para o Cerrado (Ce), Pantanal (Pa), Mata Atlântica (MA) e Pampas (Pp) e um conjunto de onze variáveis ambientais não correlacionadas (topográficas, climáticas e paisagísticas). Para análises de ecologia espacial, das atividades e de movimentação, utilizou-se localizações de telemetria (GPS) de animais habitantes de áreas protegidas (AP), e indivíduos em paisagens modificados (AM). Análises de áreas de vida (AV) foram realizadas utilizando o estimador AKDE e associadas com classificação da paisagem local. Os modelos de distribuição do lobo-guará apresentaram uma área de distribuição potencial de 78% do total dos biomas. Apesar de possuírem grandes proporções de áreas adequadas (Ce, 90%; Pa, 93%; MA, 65% e Pp, 6%), somente um pequeno percentual (4,4% do Ce e 4,7% da MA) possui adequabilidade ambiental acima de 50%. Dos atributos que favorecem sua presença, a altitude (para todos os biomas), a precipitação (Ce e Pa), diferenças de temperatura e uso e cobertura do solo (Ma e Pp) foram os mais importantes. Em nível local, animais apresentaram média de AV de 90Km2 em AP e 41Km2 em AM, uma diferença significativa (p<0,01) com áreas diretamente proporcionais ao percentual de áreas naturais na paisagem. Ainda, apesar dos padrões regulares de atividade não mostrarem grandes mudanças, o período de repouso foi significativamente maior (p<0,01) entre os animais AM (46% do dia) que em animais AP (25% do dia). Lobos-guarás de AP e AM não apresentaram grandes diferenças no deslocamento diário com média geral de 14km caminhados por dia, com comprimentos de passos de 1Km. Diferenças no comprimento de passo foram relacionadas à composição da diversidade de contato de classes da paisagem com a proporção de ambientes naturais no passo (quanto maior as variáveis, maior o passo). Passos menores refletem menor persistência de movimento interferindo no deslocamento diário. Com os resultados desse estudo identificou-se a MA e Pa muito importantes, mas o Ce como bioma mais adequado à espécie. Foram encontrados indícios de que a estrutura de suas AV, o uso da paisagem, as atividades e movimentação são afetados pela paisagem modificada. Isso pode comprometer a viabilidade populacional, interferindo na presença em uma área e refletindo no seu potencial de distribuição. As estratégias de manejo de uso do solo, e a recuperação e conexão de áreas adequadas são urgentes e necessárias para que o lobo-guará permaneça presente e funcional nas paisagens dos biomas brasileiros.