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.

Disposição de resíduos gerados em estações de tratamento de água em estações de tratamento de esgoto

O presente trabalho foi realizado em duas fases. Na primeira, foram estimados os efeitos produzidos nos decantadores primários de uma ETE, após receber resíduo da ETA-SC, que utiliza sulfato de alumínio como coagulante. Foram realizados ensaios em colunas de sedimentação, onde os parâmetros SST, SSV, cor, turbidez, DQO, coliformes totais, Escherichia coli e parasitas, pesquisados no sobrenadante, diminuíram com o aumento da quantidade de resíduo adicionado. Com relação aos sedimentos obtidos nas colunas de sedimentação, foi encontrada maior quantidade de ST e menor resistência específica nos lodos provenientes das colunas que receberam os resíduos da ETA-SC. No teste de atividade metanogênica, a concentração molar de metano foi reduzida nos sistemas que receberam resíduo da ETA-SC, influenciando negativamente no desenvolvimento dos microrganismos metanogênicas. As espécies de microrganismos do gênero Methanothrix sp foram inibidas, sendo encontradas em maior número no frasco-reator controle e em menor quantidade a medida que se aumentou a quantidade do resíduo adicionado. Nesta etapa foi constatado que o resíduo da ETA-SC poderá apresentar interferências negativas sobre a digestão anaeróbia do lodo produzido em decantadores primários de uma ETE. Na segunda fase, na estação piloto, composta de lagoa de aeração seguida de lagoa de sedimentação, que recebeu resíduo da ETA-Fonte, que utiliza cloreto férrico como coagulante, foi verificado que tal resíduo melhorou a qualidade do efluente em termos de DQO, DBO, SST, turbidez, cor, amônio, nitrato, NTK e fosfato total. Os parâmetros ST, SDT, cloreto, nitrito, condutividade e pH não apresentaram diferenças significativas. Em relação ao exame microscópico não houve influências negativas no licor misto das lagoas de aeração. O lodo formado nas lagoas de sedimentação piloto apresentou-se em maior quantidade na lagoa que recebeu resíduo da ETA-Fonte. Neste lodo a resistência específica a filtração foi menor em comparação ao lodo da lagoa que não recebeu resíduo da ETA-Fonte. A desidratação deste lodo por centrifugação necessitou menor quantidade de polieletrólito. Baseado neste estudo não foi verificado interferências que possa impedir o lançamento do resíduo da ETA-Fonte na ETE-Araraquara.