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.

O uso do eucalipto em sistemas silvipastoril: acúmulo de fitomassa arbórea e de pastagem

O presente estudo foi dividido em três capitulos, todos realizados na Estação Experimental de Ciências Florestais de Anhembi/SP, entre os anos de 2014 e 2015. O primeiro estudo intitulado de \"Variação mensal da fitomassa da forragem em função do grau de cobertura do dossel em sistemas silvipastoris\", foi realizado em 3 monoculturas de 13 anos de idade, com área útil de 50 m x 30 m para coleta de pasto as mesmas efectuadas mensalmente. Os resultados apresentaram que não há relação significativa entre a cobertura do dossel e fitomassa da forragem pelo caso de que o sub-bosque estava muito sombreado. Entretanto, houve uma relação indireta entre área basal e fitomassa. Evidenciando-se que o talhão de Eucalipto urograndis apresentou as melhores condições de crescimento e disponibilidade de materia seca mensal para Bachiaria decumbens além de obter a maior porcentagem de folha entre todos os tratamentos. Ao contrario, no talhão de Pinus tecunumanii, foi encontrada a menor disponibilidade de materia seca mensal e por consequência, menor porcentagem de folha. O segundo estudo foi chamado de: \"Disponibilidade de fitomassa de B. decumbens, em um sistema silvipastoril com eucalipto: o papel da radiação\" onde o componente florestal foi o eucalyptus (COP-1377) de 2 anos de idade plantado em uma área útil de 10 ha, dividido em 3 tratamentos (onda longa-OL (39 m), onda curta-OC (21 m), e testemunha-T) e instalado em 4 blocos distintos. Foram realizadas duas coletas dutante o período de verão e de inverno, onde foi possível verificar que o tratamento OL mostrou maior disponibilidade de fitomassa a 65% de irradiância além de obter maior porcentagem da fração folha. Este foi favorecido pelo maior espaçamento entre as aléias. Contudo, houve ataque de cigarinha na pastagem, mantendo a queda da disponibilidade no período de inverno. O terceiro estudo intitulado de: \"Variaçoes arquiteturais de uma monocultura de E. urograndis em função de sua posição espacial\", foi também realizado na monocultura do primeiro estudo, numa área de 7 ha. Para este estudo, realizou-se um inventario florestal, logo após, dividiu-se as árvores por sua classe diamétrica e selecionou-se aleatoriamente 60 árvores para cubagem, e destas, escolheu-se 15 para determinação da fitomassa e respectiva densidade da madeira. Para a obtenção da fitomassa dividiu-se as árvores em três frações de análise: tronco, galhos e folha. Além disso, as 15 árvores foram divididas em: bordadura, intermediária e centro da parcela, de acordo com a sua localização. Verificou-se que a bordadura apresentou os maiores crescimentos em DAP, altura, largura de copa e, que por consequência, obteve maior volume e fitomassa em todas suas frações. Também foi possível observar que tanto a bordadura quanto o centro apresentaram maior densidade básica em função da maior copa e altura das árvores incentivando a geração de mais fitomassa foliar. Finalmente conforme os três estudos realizados neste trabalho de pesquisa, concluiu-se que a radiação solar é fator chave na produtividade da cultura forrageira, demonstrando a necessidade de mais pesquisas sobre os sistemas agroforestais e silvipastoris para o sucesso de futuros emprendimentos.