Estoque de carbono e atividade microbiana em sistema de plantio direto
consolidado no Sul do Brasil
Introdução
Devido ao aumento dos fluxos de matéria e energia no sistema conservacionista
do solo com o sistema de plantio direto há alteração da dinâmica das populações
microbianas no solo (Moreira e Siqueira, 2006), dos nutrientes, o fluxo de água
e gases, o desenvolvimento do sistema radicular e consequentemente o rendimento
das culturas (Santos et al., 2003). Esse aumento permite melhorias nas
condições físico-químico-biológicas promovendo maior qualidade ao solo. Segundo
Nilsen e Winding (2002), um solo de qualidade pode ser considerado aquele que
possui contínua capacidade de funcionar dentro do ecossistema, sustentando a
produtividade biológica, mantendo a capacidade ambiental e promovendo o
crescimento das plantas. Diversas linhas de pesquisa avaliam a qualidade do
solo sob diferentes enfoques como apontado por Sequinatto (2010). Dentre elas,
Shukla et al. (2006) apontam a matéria orgânica do solo (MOS) como o melhor
indicador da sua qualidade. No entanto, as quantidades de resíduos vegetais
mantidos sobre o solo e o tipo de preparo determinam os coeficientes de
humificação do material vegetal depositado sobre o solo, bem como, os
coeficientes de decomposição da MOS. Quando as taxas de adição de resíduos
forem maiores que as taxas de decomposição, há um aumento nos estoques de MOS,
favorecendo os processos de agregação do solo levando a estabilidade do
sistema.
Os microrganismos do solo também são afetados pela disponibilidade de material
orgânico (Moreira e Siqueira, 2006) utilizando os resíduos orgânicos como fonte
de carbono, gerando energia para seu desenvolvimento. A quantidade de resíduo
vegetal mantido sobre o solo pode levar ao aumento do teor de matéria orgânica,
dependendo das condições pedoambientais que afetam os coeficientes de
humificação e decomposição (Bayer et al., 2006a), bem como, pode refletir na
quantidade e na diversidade da biomassa microbiana no solo.
Por serem sensíveis às mudanças que ocorrem no solo, os microrganismos são
importantes indicadores na avaliação das alterações resultantes de diferentes
práticas e sistemas de manejo (Pereira et al.,2007; Hungria et al., 2009).
Assim, a avaliação da biomassa e respiração microbiana apresenta-se como um
importante subsídio para melhor entender a dinâmica dos processos de
transformação dos resíduos orgânicos no solo (Petry et al., 2012; Segatto et
al.,2012). Entretanto, a interpretação destas avaliações isoladamente nem
sempre é satisfatória como um indicador de melhoria na qualidade do solo.
Diante disso, a interpretação conjunta de indicadores tem ampliado o
entendimento sobre os processos que ocorrem no sistema solo. Neste sentido, a
taxa de respiração por unidade de biomassa microbiana (coeficiente metabólico '
qCO2) tem sido usada como indicador de eficiência de uso de carbono pela
biomassa, ou seja, quanto maior o seu valor, maior a eficiência de acúmulo de
carbono pela biota (Balota et al, 1998).
Diversos estudos (Chaer e Tótola, 2007, Trannin et al., 2007) buscam
identificar características e comportamento das populações microbianas sob
distintas condições de manejo de solo a fim de definir quais condições são mais
adequadas para cada ambiente. No entanto, ainda são poucos os estudos que
investigam as relações entre microrganismos e o ambiente proporcionado pelo
plantio direto. Diante disso, o sistema de plantio direto, por manter resíduos
vegetais na superfície do solo, levaria a estimular as populações microbianas
devido à maior disponibilidade de material orgânico ao sistema. Além disso,
amostras de solo indeformadas, comparadas às deformadas, seriam mais fidedignas
às variações de respiração microbiana no sistema de plantio direto, por
manterem as características físicas e biológicas das amostras próximas às
condições de campo. Em virtude disso, este trabalho objetivou mensurar a
respiração microbiana basal (em amostras deformadas e indeformadas), o estoque
de carbono orgânico do solo e o carbono da biomassa microbiana, em um
experimento de longa duração, sob plantio direto consolidado com distintos
aportes de resíduos vegetais no período de inverno e com sucessão de culturas
no verão, para caracterizar estes como alguns indicadores da qualidade
biológica do solo.
Material e métodos
Experimento de longa duração
O trabalho foi realizado em uma área que está sob sistema de plantio direto
desde o ano 2000, cujo solo é classificado como Argissolo vermelho distrófico
típico (EMBRAPA, 2006) localizado na Estação Experimental Agronômica da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, no município de Eldorado do Sul
(coordenadas 30º 05' 38.84 S e 51º40' 32.35 W). A área experimental é
composta por cinco tratamentos, em triplicatas, que se referem a adição de
resíduos vegetais da parte aérea de 0, 2, 4, 6 e 8 Mg ha-1 (acrescidos de 30%
referente a contribuição do carbono aportado pelas raízes ' Zanatta et al.,
2007), provenientes da cultura de inverno (Quadro_1).. Durante o verão, foram
conduzidos cultivos de grãos apresentados no Quadro_1. A quantidade de resíduos
adicionados por estes cultivos foi calculada com base no índice de colheita,
sendo estes somados aos resíduos das plantas cultivadas durante o inverno.
Estoque de C, e coeficientes de humificação e decomposição da matéria orgânica
O estoque inicial e atual de carbono no solo foi calculado com base no teor de
carbono orgânico total e na densidade do solo, para cada tratamento e mesma
camada avaliada no ano de 2000 (0-0,10 m). Os coeficientes de humificação e
decomposição da matéria orgânica do solo foram estimados para cada tratamento
pelo modelo unicompartimental proposto por Dalal e Mayer (1986), trabalhado por
Vieira (2007) e Bayer et al.(2006b). A fixação e emissão de carbono do sistema
foi calculado com base nas equações_1 e 2:
onde, A é a adição anual de carbono (Mg ha-1 ano-1), CO é o carbono orgânico do
solo (Mg ha-1), k e k2 são os coeficientes de humificação e decomposição da
matéria orgânica, respectivamente e, 3,67 é o fator de conversão de carbono (C)
para CO2 (massa molar do C/massa molar de CO2).
Respiração microbiana basal
Para a determinação de respiração microbiana basal, foram escolhidos os
tratamentos zero, 4 e 8 Mg ha-1. Essa escolha se deu com base na quantidade
média de palha deixada pela cultura da aveia em áreas de lavoura, ou seja,
aproximadamente 4 Mg ha-1. A partir de canos de PVC com 7,5 cm de diâmetro e
5,0 cm de altura (profundidade) foram coletadas amostras de solo em entrelinhas
de semeaduras, em quadriplicata nas três repetições de cada tratamento,
totalizando 36 amostras. Deste total, 18 amostras foram mantidas indeformadas
(em tubos de PVC) e, nas restantes, procedeu-se o destorroamento antes de
incubá-las, seguindo metodologia proposta por Jenkinson e Powlson (1976). Nas
amostras indeformadas isolou-se a parte inferior do tubo com filme plástico de
PVC a fim de evitar evolução de CO2 pela parte inferior do cilindro,
superestimando a emissão. As amostras de solo foram umedecidas até atingir 60%
da capacidade de campo e mantidas em frascos hermeticamente fechados por um
período de 86 dias, durante o qual foi determinada a quantidade de CO2 evoluído
pela atividade microbiana segundo Jenkinson e Powlson (1976). O período de
avaliação se deu com base na taxa de CO2 evoluído pela atividade microbiana, a
qual apresentou estabilização a partir de 60 dias após a incubação.
Biomassa microbiana e quociente metabólico(qCO2)
Parte das amostras deformadas, duas repetições de cada tratamento, sofreram
fumigação com clorofórmio permanecendo incubadas por 24 horas à temperatura de
26 ± 1 ºC. Duas outras repetições sem fumigação foram adicionadas para a
extração do carbono da biomassa microbiana (CBM). A extração do carbono das
amostras fumigadas e não fumigadas foi realizada com sulfato de potássio a 0,5
M L-1. Da alíquota filtrada foram utilizados 8 mL para a quantificação do CBM
por meio de combustão úmida com oxidação em dicromato de potássio e
determinação por titulometria com solução de sulfato ferroso amoniacal. A
diferença entre o teor de carbono do solo sem fumigação e do solo fumigado com
clorofórmio, determina o carbono da biomassa microbiana. O qCO2 foi calculado
pela razão entre a taxa de respiração microbiana basal (RMB) e o carbono da
biomassa microbiana (BMS-C) conforme proposto por Anderson e Domsch (1993).
Análise estatística
Os dados foram submetidos à análise estatística pelo software Statiscal
Analysis System versão 9.0 (SAS for Windows), e havendo significância da
análise de variância compararam-se as médias pelo teste de Tukey (p < 0,05).
Também foram realizadas análise de regressão para os dados.
Resultados e discussões
Estoque de carbono orgânico
A adição de resíduos, o estoque de carbono orgânico do solo (COS) e os
coeficientes de humificação e decomposição da matéria orgânica (k1 e k2,
respectivamente) são apresentados no Quadro_2. A adição anual total de carbono
orgânico no solo providos pelas culturas variou de 21,3 a 27,3 Mg ha-1, havendo
um aumento no conteúdo de COS com o aumento na quantidade de resíduos
adicionados. No entanto, observou-se que adições de resíduos menores que 6Mg
ha-1 não conseguiram manter o COS no mesmo nível da condição original (C0),
apresentando redução de 12,7, 12,6 e 10,2% para os tratamentos zero, 2, e 4 Mg
ha-1 de palha, respectivamente. Isso indica que, para as condições
edafoclimáticas do local do estudo, nem sempre há um incremento de carbono ao
solo suficiente para manter ou melhorar a qualidade do solo, com vistas ao
aumento da produção,por exemplo. Por outro lado, com adições acima de 6 Mg ha-
1 de palha houve um aumento no estoque de carbono no solo, chegando a um
incremento de 11,9% quando adicionados 8 Mg ha-1 de palha.
Esta dinâmica está relacionada com a velocidade dos processos de humificação
(k1) e decomposição (k2) da matéria orgânica do solo, com valores de 0,28 e
0,041, respectivamente (Quadro_2). Assim, mesmo mantendo altas adições de
resíduos, com alto k1, a sua incorporação no solo via transformações
microbiológicas é acelerada, o que aumentaria os estoques de COS rapidamente.
No entanto, com alto k2, mesmo mantendo altas taxas de incremento de palha, a
adição líquida de carbono no solo acaba sendo baixa, em função da perda de COS
pela degradação da matéria orgânica do solo.
O aporte de resíduos maior que 6 Mg ha-1 associado ao menor revolvimento do
solo, resulta na retirada de CO2 da atmosfera e sua retenção no solo na forma
de carbono orgânico. Utilizando as equações_1 e 2, e tomando por base uma área
de um hectare, a combinação de manejos (6 e 8 Mg ha-1 de resíduos com as
culturas de verão ' Quadro_2) resultou em uma fixação de 3,9 e 4,3 Mg CO2 ano
via fotossítes, respectivamente, enquanto o solo emitiu para a atmosfera, em
2000, 3,7 Mg de CO2, resultando em um influxo líquido de 0,2 e 0,6 Mg CO ha-
1ano-1, respectivamente. Embora este influxo seja pequeno comparado a 1,79 Mg
CO2 ha-1ano-1, como reportado por Bayer et al. (2000) que avaliou um sistema de
plantio direto com cobertura de solo composta de aveia+vica/milho+caupi, os
valores evidenciam a necessidade de adição e manutenção de altas quantidades de
resíduos sobre o solo. Isso ocorre especialmente quando a cobertura de inverno
não é cultivada em consórcio, para aumentar o teor de matéria orgânica.
O valor calculado de k1 está acima de 7,7 e 23% reportados na literatura
(Bolinder et al., 1999; Gregorich et al., 1995). Isso pode estar associado a
três fatores principais: i) a camada amostrada de solo (0,10 m), uma vez que a
atividade microbiológica é mais intensa quanto mais próxima a superfície (maior
temperatura, oxigenação e material orgânico); ii) a qualidade morfológica e
física do resíduo adicionado, sendo que a decomposição varia entre gramíneas ou
leguminosas, e se os resíduos são triturados pela colheita mecânica, pois
aumenta a área superficial específica que facilita a decomposição; e iii) a
quantidade de carbono alocado pelas raízes, uma vez que a quantidade de raízes
foi estimada (30%) com base na produção de matéria seca da parte aérea.
Diferente do carbono adicionado via resíduos da parte aérea, o carbono alocado
pelas raízes é adicionado diretamente no perfil do solo, reduzindo perdas por
oxidação quando da transformação do resíduo em matéria orgânica no solo, bem
com o material está protegido fisicamente do ataque de microrganismos,
demorando mais para ser decomposto, conforme apontam estudos de Rasse et al.
(2005).
A taxa de perda da matéria orgânica do solo (k2) foi de 4,1% sendo considerada
alta quando comparada a dados de Bayer et al., (2000) que encontraram valor de
k2 para plantio direto, em mesmo solo, de 2,9%. Considerando que as perdas de
matéria orgânica por erosão foram mínimas durante o período de condução do
experimento, atribui-se isso principalmente a menor camada de solo avaliada
(0,10 m comparada a 0,175 m de Bayer et al., 2000 e 2006b), a menor proteção
física da matéria orgânica pelos agregados (Bayer, 1996), a menor razão C:N e
lignina:N (baixa entrada de nitrogênio via leguminosas, principalmente), a
menor associação organo-mineral, e a localização da MOS no perfil do solo
(Jastrow e Miller, 1998).
Respiração microbiana basal
Após 86 dias de incubação verificou-se que não houve diferença significativa na
respiração microbiana basal entre amostras deformadas e indeformadas (Quadro
3), dentro de cada tratamento independentemente da quantidade de resíduos
adicionados. Porém, amostras de solo coletadas e mantidas indeformadas
apresentaram diferenças significativas na evolução do C-CO2 emitido pela
microbiota do solo para os diferentes aportes de resíduo, o que não foi
verificado entre as amostras deformadas (Quadro_3). Tal comportamento pode ser
creditado ao fato de que, as amostras deformadas foram desestruturadas e
homogeneizadas enquanto que nas amostras indeformadas houve a preservação do
ambiente em cada camada do perfil de solo dentro do tubo, o que pode ter
permitido, pela conservação do microambiente, a maior taxa de emissão de CO2
nos tratamentos com maior aporte de resíduo.
Para as amostras indeformadas, o tratamento sem a adição de resíduo (0 Mg ha-
1), apresentou menor respiração basal 4391,7 mg dm-3 comparado aos tratamentos
com 4 e 8 Mg ha-1 que não distinguiram-se entre si, apresentando valores de
5318,7 e 5458,1 mg dm-3, respectivamente. Balota et al.(1998) cita que além de
todas as variáveis de solo, manejo e clima, as condições metodológicas
analíticas podem influenciar diretamente na taxa de C-CO2 emitido pela
microbiota do solo.
Na Figura_1, é possível notar que as amostras indeformadas (Figura_1A) e
deformadas (Figura_1B) demonstraram o comportamento de evolução de CO2 durante
o período de incubação. Isto demonstra que o método de quantificação da
respiração basal com amostras indeformadas pode ser uma estratégia importante
em solos com sistema de plantio direto consolidado, onde não há a
desestruturação do solo, impostas por preparos primários de solo como aração ou
gradagens e aporte contínuo de resíduos. Segundo Follet e Schimel (1989) a
maior liberação de CO2 geralmente é devida à maior atividade biológica que, por
sua vez, está diretamente relacionada com a quantidade de carbono lábil
existente no solo. Isso se refere diretamente a quantidade de material vegetal
aportado, conforme evidenciado neste estudo para o tratamento com adição de 8
Mg ha-1 de resíduo. Entretanto, a interpretação dos resultados da atividade
biológica deve ser feita com critério, uma vez que, em curto prazo, uma alta
taxa de respiração pode significar liberação de nutrientes para as plantas e,
em longo prazo, perda de carbono orgânico do solo para a atmosfera (Parkin et
al., 1996). Estas informações reforçam a importância da adoção de sistemas de
produção que priorizem rotação de culturas e manutenção contínua de altos
aportes de resíduos vegetais na superfície do solo. Contudo, os valores de
respiração basal descritos pela literatura são bastante variados sendo
atribuídos a variabilidade de solo, clima e cobertura vegetal (Balota et al,
1998; Wardle, 1999; Hungria e Vargas, 2000; Hungria, 2009).
Carbono da biomassa microbiana (BMS-C) e quociente metabólico
No Quadro_4 são apresentados a média dos valores do BMS-C e do qCO2 para os
tratamentos com adição de zero, 4 e 8 Mg ha-1 de resíduos. Foram observadas
diferenças significativas para o BMS-C entre os tratamentos com adição de 4 e 8
Mg ha-1, com maior valor no último tratamento. Isso corrobora com o aumento na
quantidade de matéria orgânica do solo (evidenciada pelo aumento nos teores de
carbono ' Quadro_2) que é fonte de nutrientes (Gnankambary et al., 2008) e
energia para os microrganismos heterotróficos e plantas cultivadas (Bayer e
Mielniczuk, 2008).
O tratamento com adição de 0 Mg ha-1 de resíduos apresentou valor absoluto de
BMS-C intermediário, embora não tenha apresentado diferença significativa aos
demais tratamentos. Isto pode ser um efeito momentâneo, causado por raízes e
seus exsudatos, uma vez que a parcela estava sendo cultivada com aveia (a
coleta das amostras de solo foi realizada em estágio reprodutivo desta
cultura), porém não recebeu adição de resíduos da parte aérea, pois fora
colhida e retirada da parcela. Assim, a menor quantidade de carbono no solo
restringiria o crescimento da população mantendo um valor de respiração basal
menor (Quadro_3). Com o aporte de carbono lábil via raízes e exsudatos, a
população microbiana anteriormente sobre estresse, aumentaria momentaneamente,
e após seria reduzida com o consumo desta fonte de carbono. Efeito semelhante
foi encontrado e discutido por Balota et al, . (1998) e Franchini et al,.
(2007).
A análise do quociente metabólico não identificou diferenças significativas
entre tratamentos ou forma de coleta das amostras (Quadro_4). O quociente
metabólico (qCO2) apresentou valores variando entre 23,95 e 31,37 mg de CO2 mg
de BMS-C dia-1(Quadro_4). Apesar de não haver diferenças significativas entre
os tratamentos, os quocientes metabólicos das duas formas de amostragem de solo
mostram uma redução na quantidade de C-CO2 perdida à medida em que aumenta a
dose de resíduo aplicado em superfície. O maior valor de quociente metabólico
no tratamento zero é indicativo de que a condição de estresse alimentar faz com
que os microrganismos gastem mais energia (consomem mais substrato) para manter
a comunidade microbiana (Carneiro et al., 2008). Segundo Sparling (1997),
quando a biomassa microbiana se torna mais eficiente, o que é indicado por um
quociente metabólico menor, há maior proporção de C incorporado no tecido
microbiano, explicando o maior valor de BMS-C encontrado no tratamento com a
adição de 8 Mg ha-1 de resíduos corroborando com os resultados.
Conclusões
O estoque de carbono orgânico foi afetado pelo aporte de resíduos. A camada
amostral de solo, características qualitativas dos resíduos e a proteção da
matéria orgânica aparentam constituírem os fatores responsáveis pelos altos
valores de k1 e k2 encontrados. O carbono da biomassa microbiana foi sensível
ao incremento de resíduos, ao passo que o quociente metabólico não.
A utilização de amostras indeformadas para a análise da respiração basal,
mostrou resultados semelhantes às amostras deformadas. Entretanto, amostras
indeformadas apresentaram maior sensibilidade na identificação de variações
entre tratamentos. Assim, outros estudos devem ser realizados buscando
identificar e adequar esta metodologia de coleta.
