Sampling strategies for tropical forest nutrient cycling studies: a case study in São Paulo, Brazil

The precise sampling of soil, biological or micro climatic attributes in tropical forests, which are characterized by a high diversity of species and complex spatial variability, is a difficult task. We found few basic studies to guide sampling procedures. The objective of this study was to define a sampling strategy and data analysis for some parameters frequently used in nutrient cycling studies, i. e., litter amount, total nutrient amounts in litter and its composition (Ca, Mg, Κ, Ν and P), and soil attributes at three depths (organic matter, Ρ content, cation exchange capacity and base saturation). A natural remnant forest in the West of São Paulo State (Brazil) was selected as study area and samples were collected in July, 1989. The total amount of litter and its total nutrient amounts had a high spatial independent variance. Conversely, the variance of litter composition was lower and the spatial dependency was peculiar to each nutrient. The sampling strategy for the estimation of litter amounts and the amount of nutrient in litter should be different than the sampling strategy for nutrient composition. For the estimation of litter amounts and the amount of nutrients in litter (related to quantity) a large number of randomly distributed determinations are needed. Otherwise, for the estimation of litter nutrient composition (related to quality) a smaller amount of spatially located samples should be analyzed. The determination of sampling for soil attributes differed according to the depth. Overall, surface samples (0-5 cm) showed high short distance spatial dependent variance, whereas, subsurface samples exhibited spatial dependency in longer distances. Short transects with sampling interval of 5-10 m are recommended for surface sampling. Subsurface samples must also be spatially located, but with transects or grids with longer distances between sampling points over the entire area. Composite soil samples would not provide a complete understanding of the relation between soil properties and surface dynamic processes or landscape aspects. Precise distribution of Ρ was difficult to estimate.

Stratigraphical discontinuities, tropical landscape evolution and soil distribution relationships in a case study in SE-Brazil

On a regional summit surface in the county of Piracicaba (SP) within the Peripheric Depression of São Paulo, formed of discontinued flattened tops, there is an abrupt transition between a Typic Hapludox and a Kandiudalfic Eutrudox, together with two stoneline layers. Using stratigraphical, mineralogical, and cartographic studies, this transition and the soil distribution of this surface were studied, correlating them with the different parent materials and the morphoclimatic model of landscape evolution in Southeastern Brazil. The Typic Hapludox was formed on a sandy Cenozoic deposit (Q) that overlies a pellitic deposit of the Iratí formation (Pi), representing a regional erosive discordance. Westwards to the Piracicaba River, this sequence is interrupted by a diabase sill overlain by a red clayey material which gave origin to the Kandiudalfic Eutrudox. Two post-Permian depositional events were identified by the two stonelines and stratigraphical discontinuities. The first event generated the deposition of a sandy sediment in the form of levelled alveoluses on regional barriers, most of these formed by dikes and diabase sills, probably during a drier phase. The second depositional event, leading to the deposition of the red clay was probably the dissection of the previously formed pediplane during a humid climate, followed by another pedimentation process during a later, drier period.

Balanço de nutrientes e da fitomassa em um Argissolo Amarelo sob floresta tropical amazônica após a queima e cultivo com arroz

O sistema de agricultura migratória constitui um dos principais modelos de agricultura praticados na região Amazônica. Este trabalho teve por objetivo avaliar o balanço de nutrientes no ecossistema florestal após a derrubada da vegetação primária e sua queima. Após a retirada e queima da mata, foi instalado um experimento para comparar áreas queimadas sem cultivo (queimado) e áreas queimadas com cultivo de arroz (cultivado). Estas áreas ainda foram contrastadas com uma área de vegetação primária (mata), considerada como referência. O procedimento da queimada consumiu 36,3 % da biomassa inicial e originou 5,5 Mg ha-1 de cinzas com significativas quantidades de nutrientes, principalmente Ca, Mg e K. A prática da queima como meio de limpeza do terreno apresentou baixa eficiência, uma vez que apenas um pequeno percentual da fitomassa inicial foi convertido em cinzas e grande parte dessa biomassa permaneceu na área na forma de resíduos. Mesmo com a reposição de nutrientes, como Ca, Mg, K, pelas chuvas da região, houve uma considerável remoção de N, P, K, Ca, Mg e S, seja pela ação direta do fogo e do vento sobre as cinzas, seja pela remoção pela cultura. No balanço final, a área queimada sem cultivo apresentou maior perda de nutrientes do que a queimada e cultivada, denotando a importância da cobertura do solo na manutenção de elementos no sistema. Ao final do ciclo da cultura, ainda se verificou o efeito residual das cinzas no sistema, evidenciado pelos valores de P, K, Ca e Mg superiores aos do controle (mata).

Variabilidade de goethita e hematita via dissolução redutiva em solos de região tropical e subtropical

Dezenove amostras de horizontes B latossólicos, uma de B plíntico, uma de B incipiente e uma de horizonte Cr foram submetidas a dissoluções seletivas da goethita e da hematita por ditionito-citratro-bicarbonato de sódio a 20 ºC em intervalos de tempo entre 5 e 3.840 minutos. O diâmetro médio do cristal (DMC), área superficial específica (ASE) e substituição do ferro por Al (substituição por Al3+) da goethita e da hematita nas amostras foram estimados, por difratometria de raios X (DRX), em subamostras não tratadas e em subamostras tratadas selecionadas ao longo das dissoluções seletivas. O controle das fases de goethita e hematita que persistiram após cada etapa da dissolução seletiva foi realizado pelo método da difratometria diferencial de raios X (DDRX). A cinética dissolutiva dos cristais foi descrita por meio da segmentação das curvas de dissolução do ferro no tempo em intervalos em que o comportamento dissolutivo foi linear. As taxas de dissolução nos diferentes segmentos lineares foram estimadas a partir do coeficiente angular da reta relativa a cada segmento. Em amostras goethíticas latossólicas, a metodologia discriminou diferentes fases de goethita (populações heterogêneas) quanto à substituição por Al3+, DMC e ASE e ofereceu condições para classificar o grau de estabilidade da goethita em baixa, média, alta e muito alta estabilidade. Amostras goethíticas oriundas de ambientes pedogênicos jovens e amostras hematíticas latossólicas caracterizaram-se pela maior homogeneidade de seus cristais, classificados como de baixa e média estabilidade. Nas amostras goethíticas, a proporção de cristais com maior estabilidade (alta substituição por Al3+ e cristalinidade) em cada população mostrou associação positiva com a proporção de gibbsita em relação a caulinita nas amostras. A hematita apresentou menor resistência à dissolução por redução em relação à goethita, exceto quando a última combinou baixa substituição por Al3+ e alta ASE. A caracterização de populações heterogêneas de goethita pode ampliar a utilização deste óxido como indicador de processos pedogênicos em solos poligenéticos, bem como contribuir para um melhor entendimento do comportamento químico e físico desses solos.

Dinâmica da distribuição e degradação de atrazina em argissolo vermelho-amarelo sob condições de clima tropical úmido

A biodegradabilidade e a distribuição dos agrotóxicos no ambiente determinam o seu potencial poluidor. O risco de contaminação do herbicida atrazina, em Argissolo Vermelho-Amarelo, foi estudado em experimentos de campo complementados com a utilização do sistema de microcosmo. O microcosmo permitiu utilizar 14C-atrazina em condições controladas e determinar a volatilização (0,33 %), mineralização (0,25 %) e lixiviação (4 a 11 %), parâmetros difíceis de determinar no campo. Verificou-se que 90 % da radioatividade ficou no solo, encontrando-se cerca de 75 % nos primeiros 5 cm. O experimento de campo foi feito na época seca, permitindo a simulação de chuvas de verão. Os resultados mostraram que, 90 dias após a aplicação, a atrazina foi encontrada a 50 cm de profundidade, podendo ter atingido as águas do subsolo. A atrazina deslocada pelo escoamento do excesso de água encontrava-se principalmente na fase líquida, 1,6 % do valor aplicado, enquanto 0,4 % foi adsorvido nas partículas erodidas. Os valores de atrazina na água do escorrimento foram maiores dois dias após aplicação, decrescendo a menos de um décimo após 15 dias. Os resultados evidenciam que a aplicação do herbicida deve ser evitada quando houver previsão de chuvas, considerando o potencial poluidor de águas superficiais e subterrâneas neste tipo de solo.

Aplicabilidade do lisem (limburg soil erosion) para simulação hidrológica em uma bacia hidrográfica tropical

As variáveis de entrada do modelo LISEM, mais importantes do ponto de vista da gênese do escoamento superficial direto (umidade do solo antecedente aos eventos de precipitação pluvial (θap) e espessura da camada de solo considerada no balanço hídrico) foram calibrados para eventos individuais de precipitação pluvial ocorridos na bacia hidrográfica do ribeirão Marcela, da região Alto Rio Grande, MG. Avaliou-se, também, a influência de diferentes cenários nas variáveis do escoamento superficial direto. O modelo apresentou elevada sensibilidade à umidade do solo, sendo este sua principal variável de calibração. A influência da camada de balanço hídrico esteve associada à umidade de calibração, observando-se que, quanto maior a profundidade, maior a umidade requerida para calibrar o modelo. Os cenários mata natural, eucalipto e café, aos 35 meses após o plantio, atenuaram as vazões máximas de 37,6; 42,2; e 28,0 %, cuja intensidade de precipitação pluvial foi de 48,0 mm h-1. O modelo hidrológico LISEM apresentou resultados satisfatórios na simulação hidrológica do escoamento superficial direto, mostrando que pode ser aplicado para previsão do comportamento hidrológico de bacias hidrográficas tropicais, desde que devidamente calibrado.

The combined use of reflectance, emissivity and elevation Aster/Terra data for tropical soil studies

Reflectance, emissivity and elevation data of the sensor ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)/Terra were used to characterize soil composition variations according to the toposequence position. Normalized data of SWIR (shortwave infrared) reflectance and TIR (thermal infrared) emissivity, coupled to a soil-fraction image from a spectral mixture model, were evaluated to separate bare soils from nonphotosynthetic vegetation. Regression relationships of some soil properties with reflectance and emissivity data were then applied on the exposed soil pixels. The resulting estimated values were plotted on the ASTER-derived digital elevation model. Results showed that the SWIR bands 5 and 6 and the TIR bands 10 and 14 measured the clay mineral absorption band and the quartz emissivity feature, respectively. These bands improved also the discrimination between nonphotosynthetic vegetation and soils. Despite the differences in pixel size and field sampling size, some soil properties were correlated with reflectance (R² of 0.65 for Al2O3 in band 6; 0.61 for Fe2O3 in band 3) and emissivity (R² of 0.65 for total sand fraction in the 10/14 band ratio). The combined use of reflectance, emissivity and elevation data revealed variations in soil composition with topography in specific parts of the landscape. From higher to lower slope positions, a general decrease in Al2O3 and increase in total sand fraction was observed, due to the prevalence of Rhodic Acrustox at the top and its gradual transition to Typic Acrustox at the bottom.

Contribution of humic substances from different composts to the synthesis of humin in a tropical soil

The contribution of humic substances of different composts to the synthesis of humin in a tropical soil was evaluated. Increasing doses (0, 13, 26, 52, and 104 Mg ha-1) of five different composts consisting of agroinpowderrial residues were applied to a Red-Yellow Latosol. These composts were chemically characterized and 13C NMR determined and the quantity of the functional alkyl groups of humic acids applied to the soil as compost was estimated. Thirty days after application of the treatments, organic matter samples were collected for fractionation of humic acids (HA), fulvic acids (FA) and humin (HU), from which the ratios HA/FA and (HA + FA)/HU were calculated. The application of the composts based on castor cake resulted in the highest HU levels in the soil; alkyl groups of the HA fraction of the composts were predominant in the organic components added to the HU soil fraction.

Emission of nitrous oxide and carbon dioxide from semi-arid tropical soils in Chiapas México

The semi-arid region of Chiapas is dominated by N2 -fixing shrubs, e.g., Acacia angustissima. Urea-fertilized soil samples under maize were collected from areas covered and uncovered by A. angustissima in different seasons and N2O and CO2 emissions were monitored. The objective of this study was to determine the effects of urea and of the rainy and dry season on gas emissions from semi-arid soil under laboratory conditions. Urea and soil use had no effect on CO2 production. Nitrons oxide emission from soil was three times higher in the dry than in the rainy season, while urea fertilization doubled emissions. Emissions were twice as high from soil sampled under A. angustissima canopy than from arable land, but 1.2 lower than from soil sampled outside the canopy, and five times higher from soil incubated at 40 % of the water-holding capacity (WHC) than at soil moisture content, but 15 times lower than from soil incubated at 100 WHC. It was found that the soil sampling time and water content had a significant effect on N2O emissions, while N fertilizer and sampling location were less influent.

Pedological and isotopic relations of a highland tropical peatland, Mountain Range of the Espinhaço Meridional (Brazil)

The evolution of organic matter sources in soil is related to climate and vegetation dynamics in the past recorded in paleoenvironmental Quaternary deposits such as peatlands. For this reason, a Histosol of the mineralotrophic peatland from the Pau-de-Fruta Special Protection Area - SPA, Espinhaço Meridional, State of Minas Gerais, was described and characterized to evidence the soil constituent materials and properties as related to changes in environmental conditions, supported by the isotopic and elementary characterization of soil C and N and 14C ages. Samples were collected in a depression at 1,350 m asl, where Histosols are possibly more developed due to the great thickness (505 cm). Nowadays, the area is colonized by vegetation physiognomies of the Cerrado Biome, mainly rocky and wet fields (Campo Rupestre and Campo Úmido), aside from fragments of Semidecidual Seasonal Forest, called Capões forests. The results this study showed that early the genesis of the analyzed soil profile showed a high initial contribution of mostly herbaceous organic matter before 8,090 ± 30 years BP (14C age). In the lower-mid Holocene, between 8,090 ± 30 years AP (14C age) to ± 4,100 years BP (interpolated age), the vegetation gradually became more woody, with forest expansion, possibly due to increased humidity, suggesting the existence of a more woody Cerrado in the past than at present. Drier climate conditions than the current were concluded ± 2,500 years BP (interpolated age) and that after 430 years BP (14C age) the forest gave way to grassland, predominantly. After the dry season, humidity increased to the current conditions. Due to these climate fluctuations during the Holocene, three decomposition stages of organic matter were observed in the Histosols of this study, with prevalence of the most advanced (sapric), typical of a deposit in a highly advanced stage of pedogenetic evolution.

Determination of hydraulic properties of a tropical soil of Hawaii using column experiments and inverse modeling

A method for determining soil hydraulic properties of a weathered tropical soil (Oxisol) using a medium-sized column with undisturbed soil is presented. The method was used to determine fitting parameters of the water retention curve and hydraulic conductivity functions of a soil column in support of a pesticide leaching study. The soil column was extracted from a continuously-used research plot in Central Oahu (Hawaii, USA) and its internal structure was examined by computed tomography. The experiment was based on tension infiltration into the soil column with free outflow at the lower end. Water flow through the soil core was mathematically modeled using a computer code that numerically solves the one-dimensional Richards equation. Measured soil hydraulic parameters were used for direct simulation, and the retention and soil hydraulic parameters were estimated by inverse modeling. The inverse modeling produced very good agreement between model outputs and measured flux and pressure head data for the relatively homogeneous column. The moisture content at a given pressure from the retention curve measured directly in small soil samples was lower than that obtained through parameter optimization based on experiments using a medium-sized undisturbed soil column.

Influence of liming on residual soil respiration and chemical properties in a tropical no-tillage system

Because of the climate changes occurring across the planet, especially global warming, the different forms of agricultural soil use have attracted researchers´ attention. Changes in soil management may influence soil respiration and, consequently, C sequestration. The objectives of this study were to evaluate the long-term influence of liming on soil respiration and correlate it with soil chemical properties after two years of liming in a no-tillage system. A randomized complete block design was used with six replications. The experimental treatments consisted of four lime rates and a control treatment without lime. Two years after liming, soil CO2 emission was measured and the soil sampled (layers 0-5, 5-10, 10-20, and 20-30 cm). The P, Ca2+ e Mg2+ soil contents and pH and base saturation were determined. CO2 emission from soil limed at the recommended rate was 24.1 % higher, and at twice the recommended rate, 47.4 % higher than from unlimed soil. Liming improved the chemical properties, and the linear increase in soil respiration rate correlated positively with the P, Ca2+ and Mg2+ soil contents, pH and base saturation, and negatively with H + Al and Al3+ contents. The correlation coefficient between soil respiration rate and chemical properties was highest in the 10-20 cm layer.

Organic matter quality and dynamics in tropical soils amended with sugar industry residue

Soil organic matter depletion caused by agricultural management systems have been identified as a critical problem in most tropical soils. The application of organic residues from agro-industrial activities can ameliorate this problem by increasing soil organic matter quality and quantity. Humic substances play an important role in soil conservation but the dynamics of their transformations is still poorly understood. This study evaluated the effect of compost application to two contrasting tropical soils (Inceptisol and Oxisol) for two years. Soil samples were incubated with compost consisting of sugarcane filter cake, a residue from the sugar industry, at 0, 40, 80, and 120 Mg ha-1. Filter cake compost changed the humic matter dynamics in both content and quality, affecting the soil mineralogical composition. It was observed that carbon mineralization was faster in the illite-containing Inceptisol, whereas humic acids were preserved for a longer period in the Oxisol. In both soils, compost application increased fulvic acid contents, favoring the formation of small hydrophilic molecules. A decrease in fluorescence intensity according to the incubation time was observed in the humic acids extracted from amended soils, revealing important chemical changes in this otherwise stable C pool.

Composição lignocelulósica e isótopica da vegetação e da matéria orgânica do solo de uma turfeira tropical: I - composição florística, fitomassa e acúmulo de carbono

A matéria orgânica do solo (MOS) é um dos grandes reservatórios de carbono (C) da Terra e constitui um dos principais componentes do ciclo do C. Turfeiras, ambientes acumuladores de MOS, são produto da decomposição de vegetais, que se desenvolvem e se acumulam em ambientes saturados com água, sendo o estádio inicial da sequência de carbonificação. A fitomassa participa de forma marcante no ciclo global do C, armazenando em torno de 85 % de todo o C terrestre acima do solo. O tecido vegetal é composto principalmente por lignina, celulose e hemicelulose, constituindo até 85 % da biomassa seca. As plantas discriminam C de forma diferenciada, em razão de seu ciclo fotossintético (C3, C4 e CAM). As turfeiras da Serra do Espinhaço Meridional (SdEM-MG) são colonizadas por vegetação de Campo Limpo Úmido (CLU) e de Floresta Estacional Semidecidual (FES), onde ocorrem espécies dos ciclos fotossintéticos C3 e C4. Este trabalho objetivou avaliar a contribuição dessas duas fitofisionomias para o acúmulo de MOS, por meio da avaliação da fitomassa e da composição lignocelulósica e isotópica da vegetação e da MOS. A turfeira estudada localiza-se na SdEM e ocupa 81,75 ha. Para a estimativa da fitomassa do CLU e da FES, foram marcadas três parcelas de 0,5 x 0,5 m em cada fitofisionomia, onde todos os indivíduos da parcela foram cortados e armazenados. Para as análises isotópicas e lignocelulósicas da vegetação, identificaram-se as espécies dominantes em cada fitofisionomia. Amostras de solo foram coletadas em três locais representativos sob cada fitofisionomia, a cada 5 cm de profundidade, até 50 cm. Foram extraídas a celulose e a lignina das folhas das 15 espécies dominantes e das 60 amostras de turfeira para quantificação e determinação dos valores de δ13C e δ15N. Para datação da MOS, o 14C foi determinado em três profundidades, sob o CLU e a FES. A produção da fitomassa da FES foi muito superior à produção da do CLU. Os sinais isotópicos e a composição lignocelulósica da vegetação e da matéria orgânica do solo evidenciaram que a turfeira foi formada pela deposição de matéria orgânica da vegetação que a coloniza. O crescimento vertical e a taxa de acúmulo de C foram muito mais elevados sob a FES do que sob o CLU.

Composição lignocelulósica e isótopica da vegetação e da matéria orgânica do solo de uma turfeira tropical: II - substâncias húmicas e processos de humificação

Grande parte da matéria orgânica de Organossolos das turfeiras é composta por substâncias húmicas, formadas pela transformação de resíduos orgânicos pelos microrganismos do solo e pela polimerização dos compostos orgânicos em macromoléculas resistentes à degradação biológica. Os processos de humificação da matéria orgânica do solo (MOS) ainda são pouco compreendidos e o conhecimento sobre os precursores das substâncias húmicas é limitado, sendo apresentadas rotas diferentes para a formação dessas substâncias. Contudo, em todas as rotas, destaca-se a participação da lignina. Isótopos estáveis (13C, 15N) podem ser utilizados para rastrear processos de humificação da MOS, por meio da identificação de seus precursores. Este trabalho teve como objetivo avaliar comparativamente a composição isotópica da vegetação das fitofisionomias que colonizam uma turfeira tropical de altitude composta de Campo Limpo Úmido (CLU) e de Floresta Estacional Semidecidual (FES), em relação à composição isotópica das substâncias húmicas da MOS. A turfeira estudada ocupa 81,75 ha. Para as análises isotópicas e lignocelulósicas da vegetação, foram identificadas as espécies dominantes em cada fitofisionomia. Amostras de solo foram coletadas em três locais representativos sob cada fitofisionomia, a cada 5 cm de profundidade, até 50 cm. As substâncias húmicas dessas amostras foram fracionadas, assim como calculados os valores de δ13C e δ15N nas frações húmicas, respectivamente a partir da determinação dos isótopos estáveis 12C e 13C e 14N e 15N. Os teores de lignina e seus valores de δ13C são mais elevados na vegetação e MOS sob FES em relação à vegetação e MOS sob CLU. Os teores de humina são mais elevados entre as substâncias húmicas na MOS, sob as duas fitofisionomias; os de ácidos húmicos são mais elevados na MOS sob CLU, em relação à FES; e os de ácidos fúlvicos são mais elevados na MOS sob a FES, em relação ao CLU. O δ13C da lignina apresenta similaridade elevada em relação ao δ13C da humina, dos ácidos húmicos e dos ácidos fúlvicos. As variações na composição lignocelulósica das espécies que colonizam o CLU e a FES promovem diferenças nas taxas e nos produtos da humificação da MOS.