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.

Análise de métodos de avaliação de eco eficiência.

Para que a sustentabilidade seja gerenciada e praticada de maneira efetiva, ela deve ser mensurada, utilizando-se de métodos de avaliação da sustentabilidade. Estão disponíveis diferentes métodos de avaliação, que geralmente reduzem o resultado desse levantamento à indicadores de desempenho ambiental, econômico e social (POPEA; ANNANDALE; MORISON-SAUNDERSB, 2004). Uma das denominações mais bem aceitas e difundidas para a conjunção da dimensão ambiental e econômica é conhecida por avaliação de eco eficiência (AEE). Eco eficiência é o \"aspecto da sustentabilidade que relaciona o desempenho ambiental de um sistema de produto ao valor do sistema de produto\" (ISO, 2012). Estão disponíveis diferentes métodos de AEE, porém sem evidência das suas semelhanças e particularidades e como essas características influenciam na escolha do método mais adequado de AEE em relação às potenciais aplicações O objetivo desta pesquisa é, portanto, analisar e indicar os tipos de métodos de avaliação de eco eficiência (AEE) mais adequados para ações gerenciais nas quais caibam tais abordagens. Foram selecionados onze métodos de AEE, a partir do estabelecimento de critérios de caracterização desses métodos, a saber: BASF, Bayer, EcoWater, Hahn et al., Kuosmanen e Kortelainen, MIPS, NRTEE, UN ESCAP, UN, TU Delft, e WBCSD. Identificaram-se, ainda, quatro potenciais aplicações: (i) Monitoramento de processo com vistas à melhoria contínua; (ii) Selecção e classificação de produtos; (iii) Atendimento a requisitos legais e outros requisitos; e, (iv) Marketing, rotulagem de produtos e comunicação ambiental. A partir dos elementos metodológicos estabelecidos pela norma ISSO 14045 (2012) e do conhecimento obtido dos métodos de AEE, determinaram-se quatro requisitos pelos quais os métodos e os potenciais aplicações foram avaliados: (i) Tipo de indicador de desempenho ambiental; (ii) Tipo de indicador de valor de sistema de produto; (iii) Abrangência de aplicação; e, (iv) Tipo de indicador de eco eficiência. Aplicando-se estes requisitos nos métodos de AEE e nos potenciais usos, concluiu-se que quanto à aplicações em termos de monitoramento de processos com vistas à melhoria continua os métodos de AEE recomendados foram Bayer, NRTEE, WBCSD e UN. Para situações de seleção e classificação de produtos os métodos BASF, EcoWater, Kuosmanen e Kortelainen, MIPS, Hahn et al., TU Delft, UN ESCAP e UN demonstraram ter boa aderência. No que se refere a usos voltados ao atendimento de requisitos legais e/ou de outras naturezas, os métodos NRTEE, WBCSD e UN são os mais indicados. Em aplicações de marketing, rotulagem e comunicação foram indicados os métodos BASF, EcoWater e MIPS. Finalmente, concluiu-se que, para a escolha adequada da metodologia para uma AEE, conhecimento prévio das características de cada abordagem é necessário.