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Title: Dinâmica de longo prazo do carbono do solo em sistemas de manejo no Cerrado
Authors: Ferreira, Eloisa Aparecida Belleza
Orientador(es):: Bustamante, Mercedes Maria da Cunha
Assunto:: Carbono da biomassa microbiana
Solos - manejo
Issue Date: 3-Jan-2014
Citation: FERREIRA, Eloisa Aparecida Belleza. Dinâmica de longo prazo do carbono do solo em sistemas de manejo no Cerrado. 2013. 235 f., il. Tese (Doutorado em Ecologia)—Universidade de Brasília, Brasília, 2013.
Abstract: As alterações nos estoques de carbono (C) em diferentes compartimentos da matéria orgânica (MO) do solo em decorrência da substituição de vegetação nativa de cerrado sentido restrito (cerrado ss) por agroecossistemas foram avaliadas em três experimentos de longa duração após 31 anos de manejo. Os experimentos foram instalados em Latossolo Vermelho argiloso distrófico com teores de argila entre 47 e 62%, localizados na Embrapa Cerrados, Planaltina, DF. A fração >53 μm da MO foi considerada MO particulada: MOP. A MO <53 μm foi considerada fração silte-argila. Sob vegetação nativa de cerrado ss com 50% de argila foi estimado um estoque de C entre 164,5 e 166,5 Mg ha-1 no intervalo de 0-100 cm de profundidade do solo. Após 31 anos de manejo as alterações no armazenamento de C no solo devido à substituição da vegetação nativa de cerrado ss por cultivo anual/pastagem foram restritas aos primeiros 60 cm de profundidade. Metodologias para determinação da concentração de carbono orgânico no solo foram também comparadas. Em geral, menos carbono foi recuperado por metodologias analíticas de oxidação via úmida em relação à combustão a seco. As metodologias de determinação e correção dos estoques de C para consideração das alterações de densidade aparente do solo influenciam as comparações de diferentes formas de manejo. A desconsideração das diferenças resultantes de variações analíticas pode induzir a erros nas estimativas de emissão ou remoção de C do solo, sobretudo na comparação entre plantio direto e cerrado ss. Apenas o método de combustão a seco com correção pela massa de solo foi capaz de evidenciar diferenças entre os estoques de C do solo da pastagem e do cerrado ss. Até a profundidade de 100 cm, a substituição do cerrado ss por plantio direto em rotação soja-milho provocou a redução de pelo menos 11% dos estoques de C do solo em relação à vegetação nativa. No entanto, a adoção do plantio direto como alternativa ao manejo convencional com arado de aivecas mitigou até 12% das emissões de CO2. A avaliação da composição isotópica (δ13C) da MO foi realizada no intervalo de 0-40 cm de profundidade, após 15 anos de substituição de cerrado ss (uma mistura de plantas do ciclo fotossintético C3 e C4) por pastagem com gramíneas C4. As alterações no δ13C da MOP entre as amostras coletadas no cerrado ss em 1996 e 2010, após 16 anos de proteção contra fogo, sugerem enriquecimento de C derivado de plantas C3 na vegetação nativa. A porcentagem de substituição do C da matéria orgânica do cerrado ss pelo C derivado da Brachiaria brizantha foi mais acentuada na MOP (35,6%) do que no carbono total do solo (18%), i.e. praticamente o dobro. Houve também um decréscimo da razão C:N com o declínio do tamanho das partículas em todos os sistemas de manejo, indicando menor grau de humificação nas partículas >53 μm. Esses resultados sugerem que a MOP compreende um reservatório de C com tempo de residência menor que a MO total do solo e que, portanto, constitui um compartimento mais frágil de C no solo e também um bom indicador das mudanças causadas pelos diferentes tipos de manejo. De modo geral, as substâncias húmicas desse solo de cerrado ss são constituídas de C de polimetileno, carboidratos da celulose e peptídeos. O C aromático (que representa menos de 14%) pode ser associado à lignina modificada ou material carbonizado indistinto. Portanto, o material recalcitrante pode ser atribuído principalmente a compostos alifáticos, em especial cadeias polimetilênicas o que pode ser derivado da cutina ou suberina. Essa composição pode reforçar a hidrofobicidade da MO diminuindo o potencial de decomposição por microorganismos. Em relação à distribuição nos compartimentos de C no solo, observa-se que entre 13 e 18% do C está armazenado na MOP, e entre 1,2 e 1,7% no C presente na biomassa microbiana. Portanto, mais de 80% do C da MO foi encontrado na fração silte-argila (ou no carbono residual) que, a princípio, pode ser atribuído ao carbono associado a minerais. Isso sugere que na fração silte-argila (<53 μm) a alta energia de adsorção aos minerais da matriz do solo pode favorecer a estabilização em longo prazo. No entanto, após 31 anos de manejo, o aumento relativo de armazenamento da MO na fração organo-mineral e a aceleração da mineralização da MO da fração >53 μm proporcionaram a redução entre 30 e 50% no C da biomassa microbiana em sistemas de manejo convencionais e menos de 10% em plantio direto. Além disso, embora as frações organo-minerais tenham se mostrado mais resistentes à decomposição, os resultados apontam para reduções de C também nesse compartimento da MO. Isso destaca a importância de considerar alterações da ecologia microbiana nesses solos devido ao manejo. No que diz respeito ao nitrogênio (N), nesses 31 anos o balanço positivo de até 2,8 Mg N ha-1 no sistema solo-planta pode ser atribuído ao sinergismo entre um sistema simbiótico altamente eficiente na cultura da soja e a adição de C via biomassa residual de milho. No entanto, considera-se importante monitorar em longo prazo as consequências biogeoquímicas intrínsecas das formas de N disponíveis no solo e da dinâmica microbiana em resposta a esse acúmulo de N. Após 31 anos de cultivo, o acúmulo de C do sistema solo-planta em agroecossistemas não se confirmou nesse estudo, nem mesmo no plantio direto em relação ao sistema nativo. Foram estimadas saídas em torno de 48,5 (±1,2) Mg C ha-1 na forma de colheita de grãos e perdas médias de 68,1 (±8,4) Mg C ha-1. Esses cálculos de perdas de C compreendem 40,6 Mg C ha-1 derivados do desmatamento do cerrado ss (por remoção de galhos, troncos raízes grossas para combustível de biomassa e posterior decomposição de raízes finas e serapilheira de folhas e outros materiais finos em 31 anos de cultivo) e 18,6 a 38,5 Mg C ha-1 de perdas de C do solo ao longo desse período de estudo. Com relação à simulação dos estoques de C no solo pelo modelo Century Ecosystem - submodelo savanna (Century) houve convergência entre os valores simulados e medidos no cerrado ss, com erros menores que 4%. Quanto ao compartimento vegetal, as simulações de equilíbrio sob vegetação nativa de cerrado ss representaram satisfatoriamente a produtividade primária líquida (NPP) a produção e partição de biomassa aérea e radicular observados nesse ecossistema nativo. O modelo também se mostrou apto a retratar os efeitos de diferentes regimes de queimadas sobre a produção, produtividade e estoque de C no solo do cerrado ss. Esses resultados apontam para uma replicação adequada da realidade no equilíbrio dinâmico do ecossistema nativo. O modelo Century parametrizado para conversão do cerrado a cultivo também foi eficiente em simular tanto uma rápida queda nas taxas de perda de carbono com o revolvimento do solo como as taxas decrescentes de acúmulo de C após a instalação da pastagem na cronosequência cerrado-cultivo-pastagem (1995-2011). Nesse contexto, em termos de simulações futuras (1991-2030) realizadas pelo modelo Century, o estoque mínimo de C no intervalo de 0-20 cm de profundidade nas pastagens pouco produtivas ocorreu em torno de 2000/01. Após a simulação de uma sucessão de alterações tecnológicas que incluíram a adoção de espécies forrageiras mais produtivas e de Integração lavoura pecuária (ILP), as estabilizações dos estoques em valores máximos ocorreram em torno de 2020. Nestes cenários estimou-se que, em 20 anos, para cada milhão de hectares o potencial de acúmulo de C foi de 2,17 a 3,69 e 3,1 a 5,3 Gg C nos sistemas Pastagem e ILP, respectivamente. Nestes mesmos cenários, o ponto de partida definiu quanto vai ser acumulado de C no solo em função das alterações no manejo. Tanto na pastagem como no ILP, os sistemas de produção que partiram de cerrado queimado a cada 2,5 anos, acumularam, em termos relativos, 70% mais carbono do que aqueles estabelecidos em área de cerrado com regime de queimadas a cada cinco anos. Esse estudo contribuiu para destacar a importância de experimentos de longa duração nos estudos de balanço de carbono no solo e identificou algumas fragilidades nas estimativas da contabilidade de carbono em função da escolha das metodologias e dos sistemas de referência (linha de base). Sendo assim, ainda que tenham sido apontados com maior precisão a direção, o sentido e as taxas das alterações nos estoques de C em função do manejo, no que se refere à magnitude dos valores, ainda se faz necessário investir no aprimoramento de métodos e modelos, bem como na padronização de protocolos para a contabilização de variações de carbono no solo em termos regionais. ________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT
Changes in carbon stocks (C) in different compartments of soil organic matter (OM) were assessed 31 years after the replacement of native savanna vegetation of cerrado sensu stricto (cerrado ss) by agroecosystems. For this purpose, three long-term experiments were conducted on a Clayey Oxisol (Typic Haplustox) (clay content - 47 - 62%), of EMBRAPA Cerrados, Planaltina, Distrito Federal, Brazil. The OM > 53 μm was considered particulate OM (POM). The OM <53 μm was considered silt-clay fraction. Under native cerrado ss vegetation with 50% clay, a C stock between 164.5 and 166.5 Mg C ha-1 was estimated in the 0-100 cm depth range. After 31 years of cultivation, the changes in soil C pools caused by the replacement of native vegetation of cerrado ss by annual crops/pasture were restricted to a depth of 60 cm. Methodologies for determining the concentration of soil organic C concentration were also compared. In general, less carbon was recovered by analytical methodologies of wet oxidation than by dry combustion. The methodologies of determination and correction of the C stocks based on density influence the comparisons of the different management forms. Disregarding these differences can lead to errors in estimates of CO2 emissions or soil C sink, especially when comparing no-tillage and cerrado ss. Only the dry combustion method with correction for soil mass distinguished the differences between soil C stocks of pasture and cerrado ss. To a depth of 100 cm, the replacement of the cerrado ss by soybean-corn rotation in no-tillage caused a reduction of at least 11% in soil C stocks against native vegetation. However, the adoption of no-tillage instead of conventional tillage with moldboard plow reduced the CO2 emissions by up to 12%. The estimates of isotopic composition (δ13C- OM) were held at the depth range of 0-40 cm after 15 years of cerrado ss (C4 and C3 plants) substitution by pasture grasses. Changes in the δ13C of POM between samples collected in the cerrado ss in 1996 and 2010, after 16 years of fire protection, suggest enrichment of C derived from C3 plants in the native vegetation. The percentage of C substitution of the cerrado ss by C derived from Brachiaria Brizantha was more pronounced in the POM than in the total soil carbon, i.e., almost twice as high (TOC = 18%; POM = 35.6%). There was also a narrowing of the C: N ratio with the decline of particle size in all management systems, indicating a lower humification degree in POM. These results suggest that the POM comprises a C pool with shorter residence time than the total OM, thus representing a more fragile soil C compartment as well as a good indicator of the changes caused by the different management systems. In general, humic substances of this soil of cerrado ss can be attributed to polymethylene, cellulose carbohydrates and peptides C. Aromatic C may be associated with modified lignin or indistinct carbonized material. Therefore, the recalcitrant material may consist mainly of aliphatic compounds, especially polymethylene chains that can be derived from cutin or sobering. This composition can reinforce the hydrophobicity of OM, decreasing the microbial decomposition potential. Regarding the distribution in the soil C compartments, between 13 and 18% of the C fraction was stored in the POM (>53 μm) and between 1.2 and 1.7% in the C microbial biomass. Therefore, more than 80% of the C in the OM was found in the clay-silt fraction (or residual C), which can basically be attributed to the mineral- associated C. This allows the conclusion that the high adsorption energy to the minerals of the soil matrix may favor long term stabilization in the MO on silt-clay fraction. However, after 31 years of management, the relative increase in OM pools in the organo-mineral fraction and the acceleration of mineralization in the OM fraction> 53 μm reduced the microbial biomass in conventional tillage systems between 30 and 50% and by less than 10% under no-tillage. Furthermore, although the organo-mineral fractions have been shown to be more recalcitrant, our results indicate reductions in C in this OM compartment as well. This highlights the importance of research addressing management-induced changes in the microbial ecology of these soils. With regard to nitrogen (N), the positive balance of up to 2.8 Mg N ha-1 in the soil-plant system in these 31 years can be attributed to the synergism between a highly efficient symbiotic system in soybean and the addition of C by the maize residual biomass. However, the intrinsic biogeochemical consequences of the N forms available in the soil and the microbial dynamics in response to this N accumulation should be monitored in the long term. After 31 years of cultivation, the C accumulation in the soil-plant system in agroecosystems was not confirmed in this study, not even under no-tillage, compared to cerrado ss. Carbon exports were estimated at around 48.5 (± 1.2) Mg C ha-1, removed at grain harvest, and average losses of 68.1 (± 8.4) Mg C ha-1. Theses C losses comprises exports by deforestation of the cerrado ss (40.6 Mg C ha-1 by removing wood and coarse roots to biomass fuel and subsequente decomposition of fine roots and leaf litter after 31 years of cropping), and soil C losses in the study period (18.6 - 38.5 Mg C ha-1 ha). With regard to the simulation of soil C stocks by the Century Ecosystem model - sub model savanna (Century), the simulated and measured values of the cerrado ss were consistent, with errors below 4%. In terms of the plant compartment, the equilibrium simulations of native cerrado ss vegetation satisfactorily represented the net primary productivity (NPP), production and the partitioning of the shoot and root biomass observed in the native ecosystem. The model also reflected the effects of different fire regimes on C production, productivity and C storage in the soil of the cerrado ss adequately. These results indicate a truthful representation of the reality in the dynamic equilibrium of the native ecosystem. The Century model parameterized for cerrado ss conversion to cultivation was also efficient in simulating both a rapid decrease in the C loss rate caused by soil disturbance as well as the decreasing rates of C accumulation after setting-up pasture in the chronosequence cerrado-cultivation- pasture (1995-2011). In this context, in terms of future simulations (1991-2030) by the Century model, the lowest C stock in the 0-20 cm layer in low production pastures occurred around 2000/01. After the simulation of a series of technological changes that include the introduction of more productive forage species and the adoption of integrated crop-livestock (ICL) systems, the stabilization of C stocks in maximum values occurred around 2020. In these scenarios, it was estimated that in 20 years, for every million hectares, the potential of C accumulation was 2.17 to 3.69, and 3.1 to 5.3 Gg C in pasture and ICL systems, respectively. In these same scenarios, the starting point (baseline) defined how much C will be accumulated in the soil due to management changes. In the pasture as well as in ILP, the production systems planted after wild fire every 2.5 years in cerrado ss accumulated in relative terms, 70% more carbon than those established on cerrado ss under wildfire every 5 years. This research highlighted the significance of long-term experiments in matters of soil C balance and identified some fragilities in the estimates of C accounting, particularly due to the methods and reference systems (baseline) choices. Thus, although the direction and rates of changes in the C stocks caused by management were identified with greater accuracy, in terms of magnitude of values, the improvement of the methods and models still needs investment, as well as the standardization of protocols for soil C accounting on regional scales.
Description: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Ecologia, 2013.
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