UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CAMPUS DE FREDERICO WESTPHALEN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AGRONOMIA: AGRICULTURA E AMBIENTE

Felipe Bonini da Luz

INDICADORES DA QUALIDADE DO SOLO EM FUNÇÃO DO USO DA TERRA

Frederico Westphalen, RS 2017

Felipe Bonini da Luz

INDICADORES DA QUALIDADE DO SOLO EM FUNÇÃO DO USO DA TERRA

Dissertação apresentada ao Curso de PósGraduação em Agronomia: Agricultura e Ambiente, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS) como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Agronomia.

Orientador: Prof. Dr. Vanderlei Rodrigues da Silva

Frederico Westphalen, RS 2017

© 2017 Todos os direitos autorais reservados a Felipe Bonini da Luz. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita mediante a citação da fonte. Endereço: Linha Sete de Setembro s/n – BR 386, KM 40. Frederico Westphalen, RS, CEP 98400-000. Fone: (0xx55) 99915 7648; Endereço eletrônico: [email protected]

Felipe Bonini da Luz

INDICADORES DA QUALIDADE DO SOLO EM FUNÇÃO DO USO DA TERRA

Dissertação apresentada ao Curso de PósGraduação em Agronomia: Agricultura e Ambiente, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS) como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Agronomia.

Aprovado em 31 de março de 2017:

__________________________________ Vanderlei Rodrigues da Silva, Dr. (UFSM) (Presidente/Orientador)

__________________________________ Fabio Joel Kochem Mallmann, Dr. (URI)

__________________________________ Mauricio Roberto Cherubin, Dr. (USP)

Frederico Westphalen, RS 2017

A todos os amigos, educadores, profissionais e estudantes das áreas de agronomia

DEDICO...

AGRADECIMENTOS A Deus, pela força espiritual nos momentos de angústia e de alegrias. A Universidade Federal de Santa Maria, pelo incentivo a qualificação como servidor. Ao Programa de Pós-Graduação em Agronomia- Agricultura e Ambiente por nos dar a condição de tornar-se mestre. Ao Centro Nacional de Pesquisa em soja (EMBRAPA-Soja), pela oportunidade da realização desta pesquisa. Ao Professor, amigo e orientador, Vanderlei Rodrigues da Silva pela confiança em trabalharmos juntos. Aos pesquisadores da EMBRAPA-Soja Júlio Cezar Franchini e Henrique Debiasi pela dedicação em nos orientar. Aos professores Clóvis Orlando Da Ros e Rodrigo Ferreira da Silva. Aos colegas de trabalho Lucindo Somavilla, Marcela de Melo Torchelsen, Andreia Giovenardi, Paulo Bairros e Fernanda Volpato pelo auxilio nas análises laboratoriais. A Clever Briedis (UEPG) e Murilo Veloso (UFRGS) pela orientação quanto ao fracionamento físico da matéria orgânica do solo. Um forte agradecimento ao servidor da EMBRAPA- Soja Esmael Lopes dos Santos, pelo empenho e dedicação dada a mim, na realização deste trabalho. Assim como os servidores Donizete Loni, Idelfonso e Mariluci. Aos examinadores da defesa desta dissertação. Em especial, a Mauricio Roberto Cherubin pela enorme contribuição neste trabalho, em relação ao Capítulo 3. As estagiárias da Embrapa Angélica, Maiara e Natassia pelo auxilio nas coletas de solo a campo. A grande ajuda motivacional, pelas coletas de solo e, suportar as noites mal dormidas, Carlos A. Bonini Pires. Aos grandes amigos (eternos) Lucas Aquino Alves, Cícero Ortigara e Junior Melo Damian por todos os momentos vivenciados neste período de pós-graduação. Com certeza os melhores de nossas vidas. Aos amigos Hazael S. Almeida, Ezequiel Koppe e Rosemar de Queiroz pela amizade por me acolher no momento em que estive com vocês. A Família Gabbi (Nataniel, Romualdo, Rubens, Tia Maria) pelo acolhimento em um momento difícil.

Aos então diretores José Mario Doleys Soares (UFSM-CS) e Bráulio Otomar Caron (UFSM-FW), juntamente a Diego Ricardo Menegol. Aos amigos Diego H. Simon, André L. Grolli, Rudinei de Marco, Laila M. Drebes, Paola D. Welter, Alex Negrini, José Alcides S. de Freitas, Luis Carlos Zanatta, fundamentais para aguentarmos o “tranco”. E, em especial a Daniel Aquino de Borba, por ser o braço direito em todos os momentos. Com orgulho, satisfação e amor, faço este último agradecimento a minha Família, meus pais Alvarus M. e Cleonice, meus irmãos Marciane, Mônica, João Paulo e Cirineu, meus cunhados Jorge, Mauricio e Natalia, meus sobrinhos Gustavo, Camila, Sophia, Lorena e Sarah. Obrigado por acima de qualquer coisa e em todos os momentos, apoiarem e incentivarem os meus estudos. Este trabalho e este título é para vocês.

A todos, muito obrigado!

"Temos plena condição de não repetir os erros do passado no futuro uso da terra no Brasil" Carlos Clemente Cerri

RESUMO

INDICADORES DA QUALIDADE DO SOLO EM FUNÇÃO DO USO DA TERRA

AUTOR: Felipe Bonini da Luz ORIENTADOR: Vanderlei Rodrigues da Silva

A mudança de uso da terra (MUT), ou o uso da terra, tem sido responsável, globalmente, por grande parte das emissões de dióxido de carbono e pela degradação do solo. O aumento da demanda por bioenergia, tem ocasionado a expansão das áreas de cana-de-açúcar na região centro sul, principalmente em áreas que anteriormente eram usadas como pastagem, e o aumento da demanda por alimentos tem expandido as áreas de produção de grãos para solos marginais (ou seja, arenosos). Desta forma, a vegetação nativa deu lugar às áreas com pastagens e, posteriormente, as pastagens transformadas em lavouras para a produção de grãos ou bioenergia. Contudo, apesar do alto impacto econômico positivo para o país através da produção da soja e da cana-de-açúcar, não se tem conhecimento de como esta MUT está afetando os recursos e a qualidade do solo. Para isto, neste trabalho mensuramos indicadores para avaliar a qualidade do solo sob diferentes usos na região de transição tropical no Sul do Brasil. Foram avaliados quatro usos da terra (vegetação nativa, pastagem, cultivo com canade-açúcar e cultivo com soja) em três locais com condições de solo distintas. A hipótese testada neste trabalho foi que a intensificação da agricultura através do manejo das pastagens, do cultivo da soja em sistema plantio direto (SPD), integração lavoura pecuária (ILP) e da cana-de-açúcar melhoram a qualidade do solo. Amostras de solo foram coletadas em três camadas (0,0 – 0,10; 0,10 – 0,20; e 0,20 – 0,30 m) nos municípios de Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, região norte do PR. Foram analisados, em laboratório, atributos físicos, químicos, biológicos, estoques de carbono e nitrogênio do solo. Também foi calculado um índice de qualidade do solo (IQS) através da Soil Management Assessment Framework (SMAF). Os resultados apontam enorme potencial de sequestro de carbono no solo através do SPD, ILP e manejo das pastagens, principalmente nas áreas marginais em processo de expansão da agricultura no Brasil. Além disso, concluiu-se que o uso da terra com soja e cana-de-açúcar não induz degradação física e química do solo em relação a pastagem, porém o baixo estoque de carbono e nitrogênio no solo, e o menor IQS, orientam que a expansão da cana-de-açúcar deve ser evitada em solos arenosos.

Palavras-chave: Sistema plantio direto. Integração Lavoura Pecuária. Carbono orgânico do solo. Soil Management Assessment Framework.

ABSTRACT

SOIL QUALITY INDICATORS IN FUNCTION OF THE LAND USE AUTHOR: Felipe Bonini da Luz ADVISOR: Vanderlei Rodrigues da Silva

Land-use change (LUC) or land use has been largely responsible for a large part of carbon dioxide emissions and soil degradation. The increased demand for bioenergy has led to the expansion of sugarcane areas in the south-central region, especially in areas previously used as pasture, and increased demand for food has expanded the use of marginal soils (i.e, sandy). In this way, the native vegetation gave place to the areas with pastures and, later, the transformed pastures in fields for the production of grains or bioenergy. However, despite the high positive economic impact for the country through the production of soybeans and sugarcane, it is not known how this LUC is affecting the resources and the quality of the soil. For this, in this work the indicators to evaluate soil quality under different land uses in the tropical transition region of southern Brazil were measured. Four land uses (native vegetation, pasture, sugarcane, and soybean) were evaluated in three sites with different soil conditions. The hypothesis tested in this study was that intensification of agriculture through pasture management, soybean cultivation under no-tillage system (NT), integrated crop-livestock system (ICLS) and sugarcane improved soil quality. Soil samples were collected in three layers (0.0 - 0.10, 0.10 - 0.20, 0.20 -0.30 m) in Londrina, Santo Inácio and São Jorge do Ivaí, northern- PR- Brazil. Physical, chemical, biological attributes, stocks of carbon and nitrogen were analyzed in the laboratory. A Soil Quality Index (SQI) was also calculated using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). The results point to the enormous potential of soil carbon sequestration through NT, ICLS and pasture management, especially in the marginal areas in the process of agricultural expansion in Brazil. In addition, it was concluded that land use with soybean and sugarcane does not induce physical and chemical degradation of the soil in relation to pasture, but the low carbon and nitrogen inventory in the soil, and the lower SQI, the expansion of sugarcane should be avoided in sandy soils.

Keywords: No-tillage. Integrated crop- livestock system. Soil organic carbon. Soil Management Assessment Framework.

LISTA DE TABELAS ARTIGO 1 Tabela 1 - Concentração de Carbono Orgânico do solo (COS), Nitrogênio Total (NT) e valores médios de densidade do solo (Ds) nas diferentes camadas em função do uso da terra. VN – Vegetação Nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; soja em sistema plantio direto (SPD) e rotação milho (SO1), soja em SPD com rotação trigo (SO2), soja em sistema de preparo convencional (SPC) com rotação milho (SO3), soja em SPC com rotação trigo (SO4) para Londrina, São Jorge do Ivaí e Santo Inácio, Paraná – Brasil. ......................................................................................................................... 27 ARTIGO 2 Tabela 1 - Atributos de acidez do solo e CTC para as camadas de 0,0-0,10; 0,10-0,20 e 0,200,30 m sob diferentes usos da terra (VN – vegetação nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; soja em sistema plantio direto (SPD) e rotação milho (SO1), soja em SPD com rotação trigo (SO2), soja em sistema de preparo convencional (SPC) com rotação milho (SO3), soja em SPC com rotação trigo (SO4) para Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ................................................................. 49 Tabela 2 - Macronutrientes para as camadas de 0,0-0,10; 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m sob diferentes usos da terra (VN – vegetação nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; soja em sistema plantio direto (SPD) e rotação milho (SO1), soja em SPD com rotação trigo (SO2), soja em sistema de preparo convencional (SPC) com rotação milho (SO3), soja em SPC com rotação trigo (SO4) para Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ................................................................................................ 52 Tabela 3 - Atributos físicos do solo (Ds -densidade do solo, Pt – porosidade total, Mamacroporosidade, Mi- microporosidade) para as camadas de 0,0-0,10; 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m sob diferentes usos da terra (VN – vegetação nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; soja em sistema plantio direto (SPD) e rotação milho (SO1), soja em SPD com rotação trigo (SO2), soja em sistema de preparo convencional (SPC) com rotação milho (SO3), soja em SPC com rotação trigo (SO4) para Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ................................................................. 53

ARTIGO 3 Tabela 1 - Algoritmos de interpretação dos indicadores de qualidade do solo; pH (pH), P (mg dm-³), K (mg dm-³), COS (%) e Ds (Mg m-³)................................................................ 70 Tabela 2 - Valores médios utilizados para calcular o SMAF para as camadas de 0,0-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m sob diferentes usos da terra (VN – vegetação nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; SPD – soja sob sistema plantio direto; e SCM – soja em sistema de plantio convencional) em Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ............................................................................................................. 75 Tabela 3 - Scores dos indicadores de qualidade do solo para as camadas de 0,0-0,10, 0,100,20 e 0,20-0,30 m sob diferentes usos da terra (VN – vegetação nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; SPD – soja sob sistema plantio direto; e SCM – soja em sistema de plantio convencional) em Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ............................................................................................................. 76

LISTA DE FIGURAS ARTIGO 1 Figura 1 – Localização geográfica dos locais de estudo no estado do Paraná, Brasil, destacando os principais grupos litolicos e perfil estratigráfico estudado. Fonte: MINEROPAR ............................................................................................................... 22 Figura 2 - Cronologia de uso da terra nos locais de estudo em Londrina, São Jorge do Ivaí e Santo Inácio, Paraná ..................................................................................................... 23 Figura 3 - Estoques de carbono e nitrogênio (Mg ha-1) na camada de 0,0 – 0,30 m em função do uso da terra. Vegetação nativa (VN), pastagem (PA), cana-de-açúcar (CA), soja em sistema plantio direto e rotação com milho (SO1), soja em sistema plantio direto e rotação com trigo (SO2), soja em sistema de preparo convencional e rotação com milho (SO3), soja em sistema de preparo convencional e rotação com trigo (SO4) para Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ...................................... 29 Figura 4 - Índice de estratificação de carbono (IEC) em função do uso da terra. Vegetação nativa (VN), pastagem (PA), cana-de-açúcar (CA), soja em sistema plantio direto (SPD) e rotação milho (SO1), soja em SPD com rotação trigo (SO2), soja em sistema de preparo convencional (SPC) com rotação milho (SO3), soja em SPC com rotação trigo (SO4) em Londrina (A), São Jorge do Ivaí (B) e Santo Inácio (C), Paraná – Brasil. ............................................................................................................................ 31

ARTIGO 3 Figura 1 - Funções de pontuação (scoring functions) para cada indicador de qualidade do solo avaliado nos diferentes sistemas de uso da terra, destacando os três locais de estudo. *As formas das curvas variam de acordo com o indicador, sendo: “mais é melhor” (more is better) para COS, P e K; “menos é melhor” (less is better) para Ds; e ponto ótimo (mid-point optimum) para pH do solo. ............................................................... 73 Figura 2 - Índice de qualidade do solo e a contribuição ponderadas dos componentes químicos (SQ), físicos (SF) e biológicos (SB) do solo para as camadas de 0,0-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m sob diferentes usos da terra (VN – vegetação nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; SPD – soja sob sistema plantio direto; e SCM – soja em sistema de cultivo mínimo) em Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ...... 79 Figura 3 - Índice de qualidade do solo (a, c, e) e os scores dos componentes químicos, físicos e químicos do solo (b, d, f) para as camadas de 0,0-0,30 m sob diferentes usos da terra (VN – vegetação nativa; PA – pastagem; CA – cana-de-açúcar; e SPD – soja sob sistema plantio direto) em Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, Paraná – Brasil. ...................................................................................................................................... 81 Figure 4 - Alterações na qualidade do solo (0,0-0,30 m) devido ao uso do solo (vegetação nativa, pastagem, cana-de-açúcar e agricultura sob plantio direto) no estado do Paraná, Brasil. ............................................................................................................................ 82

SUMÁRIO INTRODUÇÃO GERAL ....................................................................................................... 15 2. ARTIGO 1: MUDANÇAS NOS ESTOQUES DE CARBONO E NITROGÊNIO NO SOLO EM FUNÇÃO DO USO DA TERRA NA REGIÃO SUL DO BRASIL ......... 18 2.1. RESUMO ................................................................................................................... 18 2.2. ABSTRACT............................................................................................................... 18 2.3. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 19 2.4. MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 21 2.4.1. Descrição dos locais de estudo ........................................................................... 21 2.4.2. Amostragem e coleta de solo .............................................................................. 25 2.4.3. Variáveis determinadas....................................................................................... 25 2.4.4. Análise dos dados ............................................................................................... 26 2.5. RESULTADOS ......................................................................................................... 27 2.5.1. Londrina ............................................................................................................. 27 2.5.2. São Jorge do Ivaí ................................................................................................ 30 2.5.3. Santo Inácio ........................................................................................................ 30 2.6. DISCUSSÃO ............................................................................................................. 32 2.7. CONCLUSÕES ......................................................................................................... 37 2.8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 38 3. ARTIGO 2: ALTERAÇÕES DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DO SOLO EM FUNÇÃO DO USO DA TERRA NA REGIÃO SUL DO BRASIL ......... 43 3.1. RESUMO ................................................................................................................... 43 3.2. ABSTRACT............................................................................................................... 43 3.3. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 44 3.4. MATERIAL E MÉTODOS ....................................................................................... 45 3.4.1. Análises das propriedades químicas do solo ...................................................... 45 3.4.2. Análises das propriedades físicas do solo........................................................... 46 3.2.3. Análise dos dados ............................................................................................... 47 3.5. RESULTADOS ......................................................................................................... 47 3.3.1. Propriedades químicas do solo ....................................................................................... 47 3.3.2. Propriedades físicas do solo ........................................................................................... 50 3.6. DISCUSSÃO ............................................................................................................. 54 3.6.1. Propriedades químicas do solo ........................................................................... 54 3.4.3. Propriedades físicas do solo ........................................................................................... 56 3.4.4. Estratégias de manejo para sustentar/ melhorar a qualidade química e física do solo ... 58 3.7. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 59 3.8. REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS ......................................................................... 60 4. ARTIGO 3: SOIL MANAGEMENT ASSESSMENT FRAMEWORK (SMAF) COMO ESTRATÉGIA DE CARACTERIZAÇÃO DO USO DA TERRA ....... 65 4.1. RESUMO ................................................................................................................... 65 4.2. ABSTRACT............................................................................................................... 66 4.3. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 66 4.4. MATERIAL E MÉTODOS ....................................................................................... 68 4.4.1. Indicadores analisados ........................................................................................ 68 4.4.2. Avaliação da qualidade do solo .......................................................................... 69 4.4.3. Análise dos dados ............................................................................................... 71

4.5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................... 71 4.6. CONCLUSÕES ......................................................................................................... 83 4.7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 83 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................... 87 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 88

INTRODUÇÃO GERAL

A mudança de uso da terra (MUT), ou o uso da terra, tem sido responsável, globalmente, por grande parte das emissões de dióxido de carbono (CERRI et al., 2009) e pela degradação do solo, sendo resultado direto do aumento da população e do crescimento econômico (KARLEN; RICE, 2015). A região centro-sul do Brasil está passando pelo processo de MUT para a produção de bioenergia (cana-de-açúcar), principalmente em áreas que anteriormente eram usadas para pastagem (ADAMI et al., 2012, FRANCO et al., 2015). Nesta região, também está localizada uma das maiores áreas de produção de grãos (soja, milho e trigo) do país, a qual nos últimos 50 anos vêm passando pelo processo de MUT (WINGEYER et al., 2015). Desta forma, a vegetação nativa deu lugar às áreas com pastagens e, posteriormente as pastagens estão sendo (ou foram) transformadas em lavouras para a produção de grãos ou bioenergia. Compreender e gerir a MUT é um desafio central para a sustentabilidade global (BARRETO et al., 2013). As pastagens ocupam 200 milhões de ha no Brasil, sendo que 70 % apresentam algum grau de degradação (DIAS-FILHO, 2014). Porém, ao intensificarmos os cultivos nas áreas degradadas, cria-se uma complexa relação entre os aumentos de rendimento e o uso da terra, sendo evidente e necessária uma investigação cuidadosa antes de tirar qualquer conclusão sobre o futuro do uso da terra no Brasil, pois dependerá do local e da atividade agrícola que se intensificará. Atualmente áreas de solos leves (arenosos) tem sido incorporados ao processo produtivo de grãos, pastagens cultivadas e bioenergia no Brasil, sendo considerada a nova e última grande fronteira agrícola do país (DONAGEMMA et al., 2016). Estes solos são considerados mais susceptíveis a degradação, quando comparados a solos de textura mais fina (argilosos). Desta maneira, as estratégias mais promissoras para mitigar a degradação do solo são selecionar os usos apropriados da terra e melhorar as práticas de manejo do solo, aumentando os teores de matéria orgânica (KARLEN; RICE, 2015), além da adoção de uma abordagem holística e integrada para a gestão dos recursos e da qualidade do solo (LAL, 2015). A ciência aponta que as investigações futuras devem ser direcionadas especialmente sobre áreas de pastagem, pois sua ocorrência é generalizada na paisagem tanto em clima temperado como tropical. Além disso, incertezas referentes a qualidade do solo em áreas de pastagem continuam a ser motivo de preocupação (HARRIS et al., 2015). Segundo Sá et al. (2017), o início da degradação do solo na América do Sul, desencadeado pela transformação

16 da vegetação nativa em pastagens, tem sido agravado pelo mau uso continuado do solo, e o manejo incorreto das pastagens degradadas. O aumento da população, maior urbanização e renda disponível continuarão a aumentar a pressão sobre as terras agrícolas sul-americanas (WINGEYER et al., 2015). A melhor compreensão das diferenças regionais no solo e a quantificação das consequências potenciais das práticas de produção atuais são necessárias para assegurar que programas científicos resultem em recomendações de manejo que apoiem a intensificação da agricultura sem degradação adicional do solo. Também serão importante subsídio para aqueles que precisam tomar decisões que visem a sustentabilidade agrícola. No entanto, as informações sobre as mudanças e os padrões de indicadores da qualidade do solo em função do uso da terra são limitadas em muitas regiões ao redor do globo. A grande variabilidade entre locais e sistemas agrícolas indica que é incorreto supor que os resultados de um local específico sejam necessariamente transferíveis (POWLSON et al., 2016) principalmente para condições de solos frágeis, como os arenosos. Por isto, neste trabalho medimos indicadores para avaliar a qualidade do solo sob diferentes usos na região de transição tropical no Sul do Brasil. Foram avaliados quatro usos da terra (vegetação nativa, pastagem, cultivo com cana-de-açúcar e cultivo com soja) em três locais com condições de solo distintas. Estes usos da terra foram escolhidos devido as seguintes razões. De 1990 a 2011, a área utilizada para cultivo no Brasil cresceu cerca de 22%, sendo as culturas da soja, cana-deaçúcar e milho responsáveis por todo esse aumento, tornando-se cultivadas em 70% da área agrícola brasileira (LAPOLA et al., 2014). Em segundo lugar, as maiores degradações do solo visíveis no Brasil estão localizadas em áreas de pastagem, ao mesmo tempo que a produção de carne bovina segue crescente (BARRETO et al., 2013). Em terceiro, as culturas agrícolas de soja e milho constituem um impacto econômico positivo para os países da América do Sul (WINGEYER et al., 2015). Contudo, não se sabe ao certo como este impacto está afetando os recursos naturais e a qualidade do solo. Em quarto, porém não menos importante, o aumento da demanda por etanol fará o Brasil expandir as áreas de produção da cana-de-açúcar em 6,4 milhões de ha até 2021 (GOLDEMBERG et al., 2014), que ocorrerá predominantemente na região centro-sul do país. Além destas razões, existe carência de informações sobre a expansão da agricultura para solos arenosos, quanto a implantação de sistemas de produção que vise a busca de produtividade e melhoria da qualidade do solo (DONAGEMMA et al., 2016; REICHERT et al., 2016)

17 O uso da terra no Brasil deve ser guiado por princípios sólidos de sustentabilidade, uma vez que as alterações climáticas, a segurança alimentar e energética e a conservação da biodiversidade estão em pauta. Para que estes princípios sejam alcançados, promover e avaliar a qualidade do solo é a base para a gestão sustentável do uso da tera. A ciência utiliza vários métodos de avaliação da qualidade do solo, todos baseados em indicadores, podendo ser físicos (densidade e porosidade), químicos (acidez, concentração de nutrientes e saturação de bases) e biológicos (carbono orgânico do solo, atividade biológica). Desta maneira, este trabalho está estruturado em três capítulos, descritos a seguir. O Capitulo 1 tem o objetivo de avaliar a resposta do solo quanto aos seus estoques de carbono e nitrogênio frente a diferentes usos da terra na região centro sul do Brasil. No Capítulo 2 são discutidas as alterações das propriedades físicas e químicas do solo em função do uso da terra com o objetivo de testar a hipótese de que a intensificação da agricultura através do cultivo das culturas da soja ou cana-de-açúcar pode melhorar os parâmetros físicos e químicos do solo em relação à pastagem. O terceiro capítulo tem objetivo de integrar atributos químicos, físicos e biológicos para avaliar a qualidade do solo em função do uso da terra através de um índice de qualidade do solo, utilizando a SMAF (Soil Management Assessment Framework).

2. ARTIGO 1: MUDANÇAS NOS ESTOQUES DE CARBONO E NITROGÊNIO NO SOLO EM FUNÇÃO DO USO DA TERRA NA REGIÃO SUL DO BRASIL

2.1.

RESUMO Os diferentes usos da terra afetam a dinâmica da matéria orgânica e o conteúdo de

carbono e nitrogênio no solo, sendo influenciado pelas práticas de manejo e classe de solo. Dessa maneira, os objetivos deste estudo foram avaliar a resposta do solo quanto aos estoques de carbono e nitrogênio na vegetação nativa, pastagem, cultivo de cana-de-açúcar e cultivo de soja em três locais com diferentes classes de solo na região Sul do Brasil. A hipótese deste trabalho baseia-se que o cultivo de solos marginais (arenosos) através da aplicação de diretrizes do Plano ABC, como SPD, ILP e manejo das pastagens possam incrementar os estoques de carbono e nitrogênio no solo. Amostras de solo foram coletadas em três camadas (0,0 – 0,10; 0,10- 0,20; 0,20 -0,30 m) nos municípios de Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, região norte do PR e calculados os estoques de carbono orgânico, nitrogênio total e o índice de estratificação de carbono. Os usos da terra com soja cultivada em SPD, pastagem manejada com adubação e ILP apresentaram os maiores estoques de carbono principalmente no solo das áreas marginais (arenosas) em processo de expansão da agricultura no Brasil. Estes usos da terra correspondem a algumas das ações descritas no Plano ABC, para mitigação de gases de efeito estufa no Brasil. Os resultados deste trabalho orientam que a expansão das áreas de cana-de-açúcar na região centro sul devem ser evitadas em solos arenosos, pois devido a fragilidade destes, e revolvimento a cada implantação/renovação dos canaviais, demonstrou potencial para redução dos estoques de carbono, comprometendo a qualidade do solo.

Palavras-chave: Sistema plantio direto. Solos arenosos. Soja. Cana-de-açúcar.

PAPER 1: CHANGES IN CARBON AND NITROGEN STOCKS IN SOIL AS A FUNCTION OF LAND USE IN THE OF SOUTHERN BRAZIL

2.2.

ABSTRACT Land use affect the dynamics of organic matter, carbon and nitrogen content in the

soil, being influenced by the management and soil class. The objectives of this study were to evaluate the soil response to carbon and nitrogen stocks in native vegetation, pasture,

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sugarcane and soybean in three locations with different soil classes in the southern region of Brazil. The hypothesis of this study is that the cultivation of marginal (sandy) soils through the application of the ABC Plan guidelines, such as NT, ICLS and pasture management, may increase carbon and nitrogen stocks in the soil. Soil samples were collected in three layers (0.0 - 0.10, 0.10 - 0.20, 0.20 --0.30 m) in Londrina, Santo Inácio and São Jorge do Ivaí, northern PR and it was calculated the total nitrogen and carbon stocks and stratification ratio. Land uses with soybean cultivated in NT, pasture managed with fertilization and ICLS presented the largest carbon stocks mainly in the soil of the marginal (sandy) areas in the process of expansion of agriculture in Brazil. These land uses correspond to some of the actions described in the ABC Plan, for mitigation of greenhouse gases in Brazil. The results of this study suggest that the expansion of sugarcane areas in the south-central region should be avoided in sandy soils, because of their fragility, and a revitalization of each sugarcane planting / renewal, has shown the potential for reducing Carbon, compromising the soil quality. Keywords: No-tillage. Sandy soils. Soybean. Sugarcane.

2.3.

INTRODUÇÃO

O solo é um dos maiores reservatórios de carbono do planeta, por conter cerca de duas a três vezes mais carbono (C) do que aquele encontrado em toda a vegetação (LAL, 2008). Devido a importância do C orgânico do solo para o ambiente e à agricultura, muitos estudos, pesquisas e debates têm sido realizados ao redor do mundo (BRASIL, 2012; UNFCCC, 2015) para entender a dinâmica do C e sua influência no ambiente. O sequestro de carbono no solo é uma estratégia para alcançar a segurança alimentar através da melhoria da qualidade do solo e compensar as emissões globais de gases do efeito estufa (LAL, 2004) A matéria orgânica do solo (MOS) desempenha um importante papel no balanço global do C, pois, em um cenário otimista, práticas de manejo do solo podem compensar até 8,9 % das emissões globais de CO2 e os solos agrícolas possuem uma grande contribuição na fixação do carbono na MOS (SOMMER; BOSSIO, 2014). A América do Sul possui potencial para sequestrar 8,24 Pentagramas de C no solo, num cenário entre os anos de 2016 a 2050 através de usos da terra que contemplem o sistema plantio direto (SPD), a restauração das pastagens degradadas e o sistema de integração lavoura pecuária (ILP) (SÁ et al., 2017). Como estratégia de mitigação dos efeitos da emissão de gases, o governo brasileiro lançou em 2010 o programa Agricultura de Baixa emissão de Carbono - Plano ABC (BRASIL, 2012),

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onde objetiva a expansão da área sob SPD, recuperação das pastagens degradadas, e implementação do sistema ILP, entre outros temas. O uso da terra com pastagem no Brasil ocupa uma área de 200 milhões de ha, onde 70% apresenta algum grau de degradação (DIAS-FILHO, 2014). Estudos tem demostrado que a intensificação produtiva destas áreas, além de aumentar a produtividade, pode aumentar a qualidade do solo (STRASSBURG et al., 2014). O SPD é um sistema de manejo do solo consolidado nas regiões tropicais em usos da terra para produção de grãos, proporcionando maior acúmulo de carbono no solo (CORBEELS et al., 2016), devido aos seus princípios de conservação, envolvendo o não revolvimento, cobertura permanente, rotação de culturas, além do balanço positivo entre entradas e saídas de C do sistema (SÁ et al., 2015). O sistema ILP surge como alternativa de manejo para recuperação de pastagens degradadas e implementação do SPD, através do consorcio com a produção de grãos, possuindo elevado potencial para elevar os estoques de carbono no solo (MACEDO, 2009) O aumento da demanda por biocombustíveis faz com que áreas de cultivo de cana-deaçúcar estejam em plena expansão no Brasil (GOLDEMBERG et al., 2014), principalmente em áreas anteriormente utilizadas com pastagem na região centro sul do País (CHERUBIN, et al. 2015). Além disso, a consolidação da agricultura através da produção de grãos nessa região tem ocasionado a expansão do cultivo de grãos e cana-de-açúcar para solos marginais, ou seja, solos arenosos e frágeis (DONAGEMMA et al., 2016). Elevada incerteza permanece, quanto a dinâmica do carbono, para muitos locais que sofrem com a mudança no uso da terra através da expansão da agricultura, sendo necessários testes de campo adicionais para conclusões mais eficientes (QIM, et al., 2016), principalmente em solos frágeis e arenosos (REICHERT et al., 2016). Isso porque modelos preditivos da dinâmica do C associados com a mudança do uso da terra são incapazes de refletir a diversidade de tipos de solos tropicais (BRUUN, et al., 2013), demonstrando a necessidade de estudos nas diversas regiões agrícolas. A compreensão da dinâmica do carbono e da qualidade da matéria orgânica é crucial para avaliar a sustentabilidade dos sistemas agrícolas, visto que a melhoria do manejo do C parece ser a força motriz para resistir à degradação dos mesmos (REICHERT et al., 2016). O C tem sido utilizado como um indicador chave da qualidade do solo e importante mecanismo para a sustentabilidade agrícola (LAL, 2015). As avaliações de carbono orgânico total são eficazes na demonstração dos efeitos das práticas de manejo do solo (SILVA et al., 2016). Entretanto, entender como está sendo a entrada de carbono e nitrogênio nos sistemas agrícolas frente as mudanças de uso da terra em solos marginais, principalmente em áreas

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cultivadas com cana-de-açúcar (BRONDANI et al., 2016) e com culturas anuais (NOGUEIROL et al., 2014), pode fornecer informações importantes sobre a qualidade do solo em agroecossistemas tropicais (SANTOS et al., 2013), principalmente em solos arenosos (DONAGEMMA et al., 2016). Uma das maneiras para entender a entrada de C nos sistemas agrícolas é o cálculo da relação de estratificação de C, onde altas proporções de estratificação, podem ser bons indicadores da qualidade dinâmica do solo (FRANZLUEBBERS, 2002), refletindo na maior ciclagem e sequestro de C no solo (BRIEDES et al., 2012) podendo ser aplicados a condições de solos tropicais. Para abordar a eficiência das práticas de manejo quanto ao acúmulo de C no solo nos locais de expansão da agricultura para produção de grãos e bioenergia propõe-se com este trabalho avaliar os estoques de C e nitrogênio (N) nos usos da terra sob vegetação nativa, pastagem natural e cultivada, cultivo de cana-de-açúcar e cultivo anual de soja em SPD, ILP e preparo convencional em diferentes solos com variações texturais. A hipótese deste trabalho baseia-se que o cultivo de solos marginais (arenosos) através da aplicação de diretrizes do Plano ABC, como SPD, ILP e manejo das pastagens possam incrementar os estoques de C e N no solo. Neste intuito o objetivo deste trabalho foi avaliar as alterações nos estoques de carbono e nitrogênio do solo em diferentes usos da terra na região Sul do Brasil.

2.4.

MATERIAIS E MÉTODOS

2.4.1. Descrição dos locais de estudo Para o desenvolvimento deste estudo foram coletadas amostras de solo em três locais na região Norte do Estado do Paraná, Brasil, considerados ambientes de transição entre clima tropical e subtropical. Os três locais selecionados foram: (1) Londrina, situada a 620 m de altitude, cujas coordenadas geográficas são 23°12’S e 51°10’W, em solo argiloso originado da formação basáltica (>70% de argila); (2) São Jorge do Ivaí, situada a 600 m de altitude, cujas coordenadas geográficas são 23°19’S e 52°14’W, correspondendo a uma região de transição entre a formação Caiuá e a formação sobre basalto e (3) Santo Inácio, situado a 410 m de altitude, cujas coordenadas geográficas são 22°45’S e 51°50’W, em solo originado da formação sedimentar “Arenito Caiuá” (10% de argila), conforme a Figura 1.

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Figura 1 – Localização geográfica dos locais de estudo no estado do Paraná, Brasil, destacando os principais grupos litolicos e perfil estratigráfico estudado. Fonte: MINEROPAR

Nos três locais foram escolhidas áreas com os seguintes usos do solo: (A) Vegetação Nativa, (B) Pastagem, (C) Cultivo de Cana-de-açúcar, (D) Cultivo de Soja. A descrição detalhada de cada área é apresentada a seguir e a Figura 2 apresenta a cronologia de uso da terra para cada local.

2.4.1.1.

Londrina

A área de estudo está localizada na fazenda experimental da Embrapa Soja. O solo é classificado como um Latossolo Vermelho Eutroférrico com 75% de argila, 23% de silte e 2% de areia, formado a partir de basalto. O clima da região é considerado subtropical úmido (Cfa, segundo classificação de Koppen), com temperatura média anual de 20,7 ºC e precipitação média anual de 1622 mm. A vegetação nativa consiste de uma vegetação sub-montana secundária e floresta estacional semidecidual composta por Trichillia clausenii, Euterpe edulis e Aspidosperma polyneuron como espécies dominantes (OLIVEIRA-FILHO; RATTER, 1995).

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Figura 2 - Cronologia de uso da terra nos locais de estudo em Londrina, São Jorge do Ivaí e Santo Inácio, Paraná Londrina – PR Vegetação Nativa (VN) 2016 Pastagem natural

Pastagem (PA) 2005 Cana-de-açúcar (CA)

1975 Soja SPD (SO1, SO2) / SPM (SO3, SO4) 1993

2016

São Jorge do Ivaí – PR Vegetação Nativa (VN) 2016 Pastagem natural (PA) 1980 Cana-de-açúcar (CA) 2007

2010

Soja SPD (SO1) 2016

Santo Inácio – PR Vegetação Nativa (VN) 2016 Pastagem natural

Pastagem (PA) 1999 Cana-de-açúcar (CA) 2003 Soja SPD/ILP (SO1) 2004

2016

A pastagem é cultivada com Panicum maximum cv. Tanzânia implantada em 2005 (anteriormente era pastagem natural), com adubação anual de 80 kg ha-1 de N, sendo que no ano de 2013 foi aplicado 4 Mg ha-1 de cama de frango. A carga animal média é 2,9 unidade

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animal (UA) ha-1. O cultivo da cana-de-açúcar foi instalado em 1975, com renovação feita a cada cinco anos. A última cana planta ocorreu em 2012, com a cultivar RB 5354, utilizando adubação de 250 kg ha-1 do adubo 20-00-20 (formulado NPK) e aplicação de 2 Mg ha-1 de cama de frango. O cultivo da soja corresponde a um experimento implantado em 1993, possuindo 23 anos no período das coletas de amostras deste trabalho. Em vez de apenas um uso da terra com soja, amostras foram coletadas em 4 usos: sistema plantio direto (SPD) com semeadura da soja no verão e após cultivo de milho segunda safra (SO1); SPD com semeadura da soja no verão e trigo no inverno (SO2); sistema de preparo convencional (SPC) com arado de disco e grade pesada antes da implantação de cada cultura, com semeadura da soja no verão e após cultivo de milho segunda safra (SO3); e SPC com arado de disco e grade pesada antes da implantação de cada cultura, com semeadura da soja no verão e trigo no inverno (SO4). Nos usos da terra com soja a adubação foi 320 kg ha-1 de adubo 00-20-20 (formulado NPK), e nas culturas de milho e trigo foi de 250 e 150 kg ha-1, respectivamente, de adubo 08-28-16.

2.4.1.2.

São Jorge do Ivaí

A área de estudo está localizada na propriedade do Sr. Pedro Piveta. O solo é classificado como Latosso Vermelho-Escuro com 17% de argila, 8% de silte e 75% de areia, formado pela transição entre basalto e sedimentos da formação Caiuá. O clima da região é considerado subtropical úmido (Cfa, segundo classificação de Koppen), com temperatura média anual de 20 ºC e precipitação média anual de 1329 mm. A vegetação nativa é similar a descrita para Londrina. A Pastagem é considerada natural, do gênero Cynodon spp., sem manejo de adubação, mas com baixa carga animal (1,5 UA ha-1). A cana-de-açúcar foi implantada em 2007, onde a colheita é realizada sem queima. O uso da terra com soja iniciou em 2010, onde a área anteriormente possuía pastagem natural.

2.4.1.3. Santo Inácio A área de estudo pertence a Estância JAE, de propriedade do Sr. Fernando Sichieri. O solo é classificado como Neossolo Quartzarenico com 10% de argila, 5% de silte e 85% de areia, formado de sedimentos mesozoicos (Figura 1), correspondendo a formação caiuá. O clima da região é considerado subtropical úmido (Cfa, segundo classificação de Koppen),

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com temperatura média anual de 20 ºC e precipitação média anual de 1500 mm. A vegetação nativa é similar a descrita para os demais locais. O uso da terra com pastagem foi instalado em 1999, sendo composto por braquiária (Brachiaria ruziziensis). A pastagem recebe adubações anuais de 120 kg ha-1 de nitrogênio, 80 kg ha-1 de P2O5 e 80 kg ha-1 de K2O, utilizando carga animal média de 4 UA ha-1. Em 2015 a braquiária foi substituída por grama tifton (Cynodon spp), permanecendo com a mesma adubação e carga animal. O uso da terra com cana-de-açúcar foi implantado em 2004, manejada sem queima, sendo o último plantio em 2014. O uso com soja é realizado SPD, juntamente com o sistema ILP implantado em 2003, onde no inverno é semeado braquiária, após a saída da soja. A soja é adubada com 70 kg ha-1 de P2O5 e 90 kg ha-1 de K2O. Na braquiária é aplicado somente 60 kg ha-1 de N. No momento da coleta este uso da terra possuía 13 anos de implantação.

2.4.2. Amostragem e coleta de solo Amostras de solo foram coletadas em fevereiro de 2016, sendo que todas as amostras de um mesmo local foram coletadas no mesmo dia. A amostragem para cada local de uso da terra constituiu-se de 4 pontos amostrais distanciados 50 m entre si, compondo 12 pontos amostrais para cada local. As amostras de solo foram coletadas nas camadas de 0,0–0,10; 0,10–0,20; e 0,20–0,30 m e encaminhadas para análise em laboratório. Para as análises de carbono e nitrogênio, foram coletadas amostras deformadas em cada ponto e camada. Para determinação da densidade do solo foram coletadas amostras indeformadas em anéis volumétricos de 100 cm³ nas três camadas de solo.

2.4.3. Variáveis determinadas 2.4.3.1. Densidade do solo A partir da coleta de solo em anéis volumétricos, no laboratório foi retirado o excesso de solo e realizada a limpeza externa dos anéis. Após, as amostras foram levadas para estufa, a 105 °C até atingir peso constante (aproximadamente 24 horas). Determinou-se a densidade dividindo-se a massa de solo seca pelo volume total do anel.

2.4.3.2. Conteúdo e estoques de carbono orgânico total O conteúdo de carbono orgânico total foi determinado por combustão seca através do uso de um analisador elementar (Flash 2000 Organic Elemental Analyzer). Para calcular os

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estoques de carbono total para cada uso de solo e camada de solo utilizou-se a seguinte: expressão.

Onde: C é o conteúdo de carbono do solo; Ds é a densidade do solo expressa em Mg m-³; prof é a extensão da camada avaliada em cm; e 10 é o fator de correção para área. Os estoques de carbono foram corrigidos para massas equivalente de solo de acordo com Carvalho et al (2009) em cada camada analisada, corrigindo a espessura da mesma em relação a área de referência (neste trabalho considerada a vegetação nativa) conforme a seguinte expressão.

Onde: EstC é estoque de C orgânico em determinada profundidade (Mg ha-1); Cs é o teor de C orgânico total na profundidade amostrada (g kg-1); Ds é a densidade do solo na profundidade amostrada (Mg m-3); Dref é a densidade do solo para profundidade amostrada na área de referência (Mg m-3); e ”e” é a espessura da camada considerada (cm). Para o cálculo dos estoques de nitrogênio seguiu-se o mesmo procedimento realizado para o cálculo do estoque de carbono. O índice de estratificação de carbono (IEC) foi calculado dividindo a concentração de carbono da camada superficial (0,0–0,10 m) pela concentração média de C das camadas subsuperficiais, conforme Franzluebbers (2002). A tabela 1 apresenta as concentrações medias de carbono e nitrogênio e valores médios de densidade do solo

2.4.4. Análise dos dados Os dados foram testados quanto a normalidade pelo teste de Shapiro-Wilk (p