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 conceito de equilíbrio hidráulico e termodinâmico da água no solo aplicado ao estudo da curva de retenção e murchamento de plantas

Estimativas sobre alterações climáticas globais têm aumentando a demanda por estudos sobre propriedades dos solos relativamente secos e limitações impostas à absorção de água pelas plantas em condições de escassez hídrica. Neste estudo, fatores que influenciam a retenção da água no solo e o murchamento de plantas foram avaliados com base no conceito de equilíbrio da água no solo. Objetivou-se com este estudo: (i) avaliar a confiabilidade de medições do conteúdo de água no solo sob altas sucções matriciais em câmaras de pressão, usando como referência a técnica de ponto de orvalho (ii) avaliar as interações entre espécies de plantas e solos com diferentes classes texturais no ponto de murcha permanente (iii) investigar as relações entre equilíbrio hidráulico da água no solo e murchamento de plantas a partir do conceito de corte hidráulico. Para tanto, um experimento para avaliar a influência dos tipos de solos e espécies de plantas, no ponto de murcha permanente foi conduzido em casa de vegetação da Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\" da Universidade de São Paulo, Piracicaba, São Paulo. Avaliou-se o murchamento de plantas de girassol (Helianthus annuus L.), milho (Zea mays L.) e soja (Glycine max L.). Os solos utilizados no estudo foram coletados na camada superficial (0-10 cm) em quatro áreas, selecionadas com o objetivo de obter classes texturais contrastantes, localizadas no município de Piracicaba, São Paulo, Brasil. Sub-amostras foram utilizadas para determinação da distribuição do tamanho de partículas e atributos químicos. Amostras indeformadas foram coletadas para a determinação da curva de retenção da água no solo pela técnica de câmaras de pressão. Adicionalmente, amostras deformadas foram utilizadas para determinação das características de retenção da água no solo pela técnica do ponto de orvalho em altos valores de sucções matriciais. Os dados de retenção de água no solo foram ajustados a modelos empíricos para estimativas da sucção matricial e conteúdo de água relacionada à água em equilíbrio hidráulico (água residual). Foram observadas similaridades nas determinações das características de retenção da água no solo entre as técnicas de câmaras de pressão e ponto de orvalho, sugerindo a boa drenagem das amostras de solo em câmaras de pressão. Interações significativas foram observadas entre os tipos de solos e espécies de plantas no ponto de murcha permanente, indicando que o movimento de água no contínuo solo-planta-atmosfera foi dependente de resistências relacionadas tanto ao solo quanto às plantas. Ou seja, tanto à capacidade do solo em transportar água até raízes, quanto à habilidade das plantas em absorver a água transportada, assim como, aos processos de regulação de água que ocorrem nas plantas. A abordagem baseada no conteúdo de água residual para o intervalo de sucções matriciais de 0 a 15.000 hPa não foi adequada para ilustrar a condição de equilíbrio hidráulico da água no solo, definidos pelo corte hidráulico, e relações com as sucções matriciais em ocorre o murchamento de plantas.

Dinâmica do fósforo no solo em função da adição de ácidos orgânicos de baixa massa molar

A baixa eficiência da adubação fosfatada em solos altamente intemperizados é devido, entre outros fatores, à adsorção do fósforo (P) à superfície das argilas silicatadas do tipo 1:1 e, principalmente, dos (hidr)óxidos de Fe e de Al. Manejos do solo que induzem a solubilização de formas de P indisponíveis para as plantas têm sido intensamente estudados nos últimos anos. Uma tentativa de aumentar a concentração de P disponível na solução do solo para sua absorção pelas plantas é a mobilização de P por ânions de ácidos orgânicos de baixa massa molar (AOBMM). Ânions derivados de AOBMM exsudados pelas raízes de plantas ou excretados por microrganismos são associados com algumas condições de rizosfera como deficiência de P e fitotoxidez de Al e interagem com o solo de forma a aumentar a biodisponibilidade de P. Dependendo dos atributos do solo, do grau de dissociação, das propriedades e do número de grupos carboxílicos dos ânions orgânicos, o P pode ser mobilizado do solo principalmente devido à dissolução complexométrica de minerais e à adsorção competitiva dos grupos funcionais carboxílicos e fosfato nos sítios de superfície coloidais. A capacidade dos ânions citrato, malato e oxalato em mobilizar P de amostras de um Neossolo Quartzarênico típico (RQ) e de um Latossolo Vermelho ácrico (LVwf) foi avaliada por meio de um estudo de lixiviação de ânions em colunas. Devido a não detecção de P nos efluentes das colunas com LVwf, foi realizado outro estudo em colunas, no qual somente citrato foi lixiviado, mas num volume maior, e as alterações das formas de P nas amostras desse solo induzidas pela lixiviação de citrato foram identificadas por espectroscopia de absorção de raios-X na borda K do fósforo (X-ray absorption near edge structure -XANES - spectroscopy). A capacidade dos ânions de AOBMM em solubilizar P foi mais dependente do teor de P disponível e de outros atributos do solo que do número de grupos funcionais carboxílicos dos ânions orgânicos. Somente o oxalato mobilizou P do RQ, enquanto todos os ânions de AOBMM foram capazes de mobilizar P do LVwf. Quando baixos volumes de solução contendo ânions de AOBMM foram lixiviados no solo, além do aumento do pH, a mobilização de P foi acompanhada pela mobilização de Al no RQ (pH água = 5), e pela mobilização de Ca no LVwf (pH água = 5.6), o que indica solubilização de P pela complexação de Al, Ca, ou Fe, de fosfatos insolúveis, ou pela inibição da precipitação de P com esses metais. Ao lixiviar um volume maior de citrato no LVwf, o P também não foi detectado nos efluentes das colunas, mas houve lixiviação intensa de Al e Fe, bem como mudanças nas proporções de formas de P no solo caracterizadas pelos espectros XANES. Embora tenhamos encontrado indícios da ação dos principais mecanismos de solubilização de P (dissolução complexométrica de minerais e troca de ligantes entre grupos funcionais carboxílicos e P adsorvido ao solo), os ânions de AOBMM mostraram pouco potencial de efetivamente aumentar a biodisponibilidade de P.

Caracterização macro e micromorfológica do solo para compreensão de processos erosivos lineares, topossequência Manacá, São Carlos - SP

A presente pesquisa tem como objetivo compreender a dinâmica de comportamento do solo sob escala macro e micromorfológica visualizados em topossequência, no que concerne aos agentes morfológicos que condicionam e contribuem para deflagração de processos erosivos. A área de estudo está inserida na sub-bacia hidrográfica do Laranja Azeda localizada na região centro-leste do estado de São Paulo, no município de São Carlos/SP, e têm fundamental importância por pertencer à bacia hidrográfica do Ribeirão Feijão, importante manancial urbano para a cidade. O planejamento de uso e ocupação adequados aos fatores físicos que compõe a dinâmica desta paisagem são essenciais visando a conservação e preservação dos recursos hídricos ali existentes, onde a expressiva ocorrência de processos erosivos são objetos de preocupação, já que estes podem causar assoreamento de rios e reservatórios. Utilizando uma metodologia multiescalar para seleção da área de pesquisa em detalhe e compreensão da organização e dinâmica da cobertura pedológica, foram utilizados os procedimentos propostos pela Análise Estrutural da Cobertura Pedológica e conceitos e técnicas da micromorfologia de solos. Verifica-se que a distribuição dos solos na Topossequência Manacá está estritamente correlacionada à transformação vertical do materialde origem em solo, em cuja vertente existe uma diferenciação litológica que condiciona a morfologia diferenciada, tanto em escala macromorfológica quanto micromorfológica. O terço superior e médio da vertente está associado à depósitos colúvio-eluvionaresda Formação Itaqueri, onde desenvolve-se um Latossolo Vermelho Amarelo. Já o terço inferior da vertente corresponde a um solo formado a partir dos arenitos da Formação Botucatu, sendo enquadrado enquanto Neossolo Quartzarênico. Com o auxílio técnicas de análise bidimensional de imagens retiradas das lâminas delgadas de solo, foi possível visualizar e quantificar a macroposidade ao longo da vertente, importante atributo morfológico que controla os fluxos de água e são agentes condicionantes para o desenvolvimento de processos erosivos. Conclui-se que a ocorrência de voçorocas no terço médio inferior da vertente é a materialização em forma de processos erosivos deste comportamento diferencial da massa do solo, onde portanto, na Topossequência Manacá a busca de equilíbrio dinâmico na vertente é induzida pela dinâmica genética evolutiva das formações geológicas que sustentam a paisagem, desencadeada em processos erosivos que tendem a progredir em desequilíbrio, a depender do manejo estabelecido para o local.

Estado nutricional de cultivares de cana-de-açúcar em função da aplicação de calcário e gesso no solo

As áreas destinadas à cultura de cana-de-açúcar estão concentradas em áreas de Cerrado, que são solos ácidos, com elevada saturação por alumínio e baixa saturação por bases. Para correção destas características, faz-se o uso de corretivos e fertilizantes no momento da implantação da cultura. Embora a toxidez por alumínio seja uma das mais sérias limitações ao crescimento de plantas em solos ácidos, há uma carência de estudos relacionando-a com a cultura de cana-de-açúcar. Com base nisto, o objeto deste trabalho foi avaliar o efeito da aplicação de calcário e gesso sobre o estado nutricional de quatro cultivares de cana-de-açúcar, distintas quanto à exigência nutricional, na fase de perfilhamento da cultura. Para tanto, desenvolveu-se experimento em casa de vegetação com vasos contendo 4 kg de amostra de solo, com saturação por alumínio de 29%, como substrato, com os seguintes tratamentos: 1) aplicação de calcário, 2) aplicação de gesso, e 3) controle, sem adição de calcário e gesso. Os cultivares utilizados foram: IACSP95-5000, IACSP94-2094, SP80-3280 e IAC95-3028. Após adição dos tratamentos, as amostras de solo foram incubadas por 45 dias. Para os materiais vegetais, mini-toletes de gema única das cultivares foram pré-brotados, crescidos por 90 dias e transplantados para os vasos, para os respectivos tratamentos. As plantas foram adubadas com macro e micronutrientes e cultivadas por 60 dias. Os tratamentos foram caracterizados quanto aos atributos químicos para avaliação da fertilidade após a incubação e após a coleta das plantas. Nas plantas, foram feitas avaliações de: clorofila, flavonoides, índice de balanço do nitrogênio (NBI), concentração de alumínio e dos nutrientes e produção de matéria seca de folha, colmo e raiz. Enquanto o tratamento gesso não diferiu do controle, o tratamento calcário foi efetivo para correção da reação da amostra de solo, com elevação dos valores de pH e saturação por bases, e redução da saturação por alumínio e acidez total, além do aumento nos teores de Ca e Mg. A adubação NPK+micro foi efetiva para aumentar os teores de P e K dos substratos de todos os tratamentos. Nas plantas, para todos os cultivares, os índices de clorofila, flavonoides e NBI foram mais adequados no tratamento calcário, em relação ao controle e ao gesso. A produção de matéria seca total e das partes das plantas, de modo geral, foi maior para a IACSP95-5000, intermediaria para a IACSP35-3028 e menor para a IACSP94-2094 e SP80-3280. Quanto aos tratamentos, não houve efeito do calcário e gesso sobre a produção de matéria seca de folha, contudo, houve aumento de produção de matéria seca de colmo e raiz pelo calcário, na cultivar IACSP95-5000. Independente do tratamento, as cultivares apresentaram concentração de alumínio superior a 5000 mg kg-1 nas raízes e inferiores a 360 e 160 mg kg-1 nas folhas e colmos, respectivamente, evidenciando que o Al foi acúmulo nas raízes das plantas. De modo geral, as concentrações de macro e micronutrientes variaram com os tratamentos e cultivares, porém sem valores altos e baixos extremos. Concluiu-se que a cultivar IACSP95-5000 tem maior potencial de produção em resposta à aplicação de calcário e que a saturação de alumínio de 29% não apresenta efeito negativo sobre a produção de matéria seca, exceto da cultivar IACSP95-5000, e estado nutricional das cultivares de cana-de-açúcar