Comunicaciones
GRAMÍNEAS PERENES E SUA RELAÇÃO COM A RECUPERAÇÃO DE ATRIBUTOS FÍSICOS DE UM SOLO DEGRADADO CONSTRUÍDO
PERENNIAL GRASSES AND THEIR RELATIONSHIP WITH THE RECOVERY OF PHYSICAL ATTRIBUTES OF A DEGRADED CONSTRUCTED SOIL
GRAMÍNEAS PERENNES Y SU RELACIÓN CON LA RECUPERACIÓN DE ATRIBUTOS FÍSICOS DE UN SUELO DEGRADADO CONSTRUIDO
GRAMÍNEAS PERENES E SUA RELAÇÃO COM A RECUPERAÇÃO DE ATRIBUTOS FÍSICOS DE UM SOLO DEGRADADO CONSTRUÍDO
Interciencia, vol. 42, núm. 2, pp. 101-107, 2017
Asociación Interciencia
Recepção: 03/03/2016
Corrected: 16/01/2017
Aprovação: 18/01/2017
Resumo: Os solos construídos são solos pedologicamente jovens cuja recuperação dos atributos físico-químico-biológicos depende da vegetação da área minerada. O objetivo do trabalho foi analisar o desenvolvimento radicular de gramíneas perenes e sua relação na recuperação da qualidade física de um solo construído após mineração de carvão. O estudo foi realizado em uma área de mineração de carvão localizada no Sul do Brasil. As espécies vegetais avaliadas foram Hemarthria altissima, Paspalum notatum cv. Pensacola, Cynodon dactylon cv Tifton e Urochloa brizantha. Foram coletados 16 monólitos de solo para determinação dos atributos radiculares das espécies, 96 amostras com estrutura preservada para a determinação dos atributos físicos e 48 amostras com estrutura não preservada para a determinação dos atributos químicos. O desenvolvimento, em profundidade, das raízes das gramíneas é afetado pela alta densidade do solo e resistência à penetração, baixa porosidade total e macroporosidade, baixa concentração de bases trocáveis e pH ácido, advindos do processo de construção do solo pelo uso de máquinas pesadas e a presença de estéreis contaminados por pirita. A menor densidade e resistência do solo à penetração e a maior macroporosidade apresentadas na camada de 0-0,10m em relação às camadas subjacentes foram proporcionadas pela maior presença de raízes das gramíneas nesta camada do solo construído. A Urochloa brizantha se destaca pela sua maior densidade, volume, área e comprimento radicular, principalmente na camada abaixo de 0-0,10m, apresentando assim um maior potencial em recuperar os atributos físicos de áreas degradadas, principalmente em profundidade.
Palavras-chave: Áreas degradadas, Cynodon dactylon, Hemarthria altissima, Paspalum notatum, Urochloa brizantha..
Abstract: Constructed soils are pedologically young soils whose recovery of physical-chemical-biological attributes depends on the re-vegetation of the mined area. The objective of the work was to analyze the root development of perennial grasses and their relationship in the recovery of physical attributes of a constructed soil after coal mining. The study was conducted in a coal mining area located in Southern Brazil. The evaluated plant species were Hemarthria altissima, Paspalum notatum cv. Pensacola, Cynodon dactylon cv. Tifton, and Urochloa brizantha. Sixten soil monoliths were collected for determination of root attributes, 96 undisturbed soil samples for determination of physical attributes and 48 disturbed samples for determination of chemical attributes. The development of grass roots in the soil deeper layers are affected by the high soil bulk density and penetration resistance, low porosity and macroporosity, low concentration of exchangeable base cations and acidic pH, arising from the soil construction process with the use of heavy machinery and the presence of barren land contaminated with pyrite. The lower bulk density and soil resistance to penetration and higher macroporosity of the 0-0.10m soil layer in relation to the underlying layers were due to the greater abundance of grass roots in this layer. Urochloa brizantha stands out for its greater root density, volume, area and length, especially in the layer below 0 to 0.10m, thus presenting a greater potential for the recovery of the physical attributes of the degraded soil below the surface layer.
Resumen: Los suelos construidos son suelos pedologicamente jóvenes cuja recuperación de los atributos físico-químico-biológicos depende de la vegetación del área de miner.a. El objetivo del trabajo fue analizar el desarrollo radicular de gramíneas perennes y su relación en la recuperación de la calidad física de un suelo construido post minería de carbón. El estudio fue realizado en un área de minería de carbón localizada en el Sur del Brasil. As especies vegetales evaluadas fueron Hemarthria altissima, Paspalum notatum cv. Pensacola, Cynodon dactylon cv Tifton e Urochloa brizantha. Fueron recolectados 16 monolitos de suelo para determinación de los atributos radiculares de las especies, 96 muestras con estructura preservada para la determinación de los atributos físicos y 48 muestras con estructura no preservada para la determinación de los atributos químicos. El desarrollo, en profundidad, de las raíces de las gramíneas es afectado por la alta densidad del suelo y resistencia a la penetración, baja porosidad total y macro porosidad, baja concentración de bases cambiables y pH ácido, derivados del proceso de construcción del suelo por el uso de máquinas pesadas y la presencia de estériles contaminados por pirita. La menor densidad y resistencia del suelo a la penetración y la mayor macro porosidad presentadas en la capa de 0-0,10m en relación a las capas subyacentes fueron proporcionadas por la mayor presencia de raíces de las gramíneas en esta capa del suelo construido. La Urochloa brizantha se destaca por su mayor densidad, volumen, área y longitud radicular, principalmente en la capa debajo de 0-0,10m, presentando así un mayor potencial en recuperar los atributos físicos de áreas degradadas, principalmente.
Introdução
Solos construídos são fundamentalmente antropogênicos (Kämpf et al., 1997), pois são formados por materiais e procedimentos determinados pela ação humana. A construção do solo após a mineração de carvão a céu aberto abrange a remoção dos horizontes do solo original e das rochas, para posteriormente extrair os bancos de carvão. A recomposição topográfica da área minerada ocorre com o retorno do material estéril (mistura de rochas e carvão não aproveitados) na cava aberta para a retirada do carvão, seguida da reposição de uma camada de solo (horizonte A e/ou B), retirada anteriormente à lavra do carvão, originando assim o ‘solo construído’.
Os solos construídos são, portanto, considerados solos pedologicamente jovens cuja recuperação dos atributos físico-químico-biológicos depende da intensidade da reposição vegetal na área minerada (Mukhopadhyay et al., 2014). Em solos construídos na China, Zhang et al. (2015) observaram que após cinco anos de vegetação, houve um aumento do conteúdo de matéria orgânica e melhorias nas propriedades físicas do novo solo. Nos Estados Unidos, Akala e Lal (2001) também observaram o desenvolvimento de horizontes em solos construídos em um período relativamente curto de tempo, com acúmulo de carbono orgânico após cinco e dez anos da construção do solo. Por sua vez, Krümmelbein e Raab (2012) observaram em um solo construído na Alemanha, que os atributos físicos eram muito variáveis nos primeiros quatro anos de vegetação, todavia, o uso de espécies perenes foi indicado por melhorar a formação da estrutura do novo solo devido ao seu enraizamento profundo.
Na literatura, as raízes das plantas são consideradas importantes aliadas na recuperação dos solos agrícolas (Six et al., 2004; Crispim et al., 2005; Debiasi et al., 2008; Reinert et al., 2008; Ralisch et al., 2010; Lima et al., 2012) e dos solos construídos (Izquierdo et al., 2005; Sourkova et al., 2005; Wick et al., 2009; Amaral et al., 2012; Stumpf et al., 2014; Li et al., 2015; Zhang et al., 2015), apesar da maioria dos trabalhos não apresentarem medições diretas da biomassa subterrânea.
Mediante a hipótese de que plantas de cobertura podem interferir na qualidade física de solos degradados o objetivo do trabalho foi analisar o desenvolvimento radicular de gramíneas perenes e sua relação na recuperação da qualidade física de um solo construído após mineração de carvão.
Material e Métodos
O estudo foi realizado em uma área degradada pela mineração de carvão, localizada em Candiota, cidade da região sul do Brasil com as coordenadas 31º33’56’’S e 53º43’30’’O.
O experimento com diferentes espécies vegetais (gramíneas e leguminosas) solteiras e consorciadas foi instalado em novembro/dezembro de 2003, em 84 parcelas de 20m. (5×4m), em delineamento de blocos ao acaso com quatro repetições. As espécies vegetais foram implantadas em solo recentemente construído, constituído predominantemente do horizonte B de um Argissolo Vermelho Eutrófico típico (Embrapa, 2006), tendo como características a classe textural argilosa, cor avermelhada (2,5YR 3,5/6) e baixo teor de matéria orgânica (Tabela I).
Devido às leguminosas (Lotus pedunculatuscv. makú e Arachis pintoi) não se estabelecerem na área, foram estudados os tratamentos com gramíneas em cultivo solteiro: Hemarthria altissima (Poir.) Stapf & C. E. Hubbard, Paspalum notatum Flüggé, cv. Pensacola, Cynodon dactylon (L.) Pers. cv. Tifton e a Urochloa brizantha (Hochst.) Stapf.
Em face da área se apresentar extremamente compactada devido à intensa circulação de maquinaria pesada (trator de esteira modelo D&T Caterpillar®R com 38Mg e caminhões carregados com ~20Mg de solo), o solo construído foi inicialmente escarificado a uma profundidade média de 0,15m, corrigido o pH com 10,4Mg·ha-1 de calcário dolomítico (PRNT 100%) e realizada a adubação com 900kg·ha-1 de NPK 5-20-20, com base na análise do solo. Adubações subsequentes foram realizadas anualmente com 250Kg·ha-1 de NPK 5-30-15 e 250kg·ha-1 de sulfato de amônio.
Em julho de 2012 foram coletadas 96 amostras de solo com estrutura preservada, em cilindros de aço (0,050m de altura e 0,047m de diâmetro) utilizando o método do macaco hidráulico (Pedrotti et al., 2001), para a determinação da densidade do solo (Ds), porosidade total (PT), macroporosidade (Ma) e microporosidade (Mi) (Embrapa 2011), e 48 amostras com estrutura não preservada, para a caracterização química (pH em água 1:1; teores de Ca, Mg e Al trocáveis extraídos com KCl 1mol·l-1 e determinados no espectrofotômetro de absorção atômica (Ca e Mg) ou por titulação com NaOH (Al); acidez potencial extraída com acetato de cálcio a pH 7 e determinada por titulação com NaOH (Embrapa, 2011). Com base nos resultados das análises foi calculada a capacidade de troca de cátions (CTC), saturação por bases (V) e saturação por alumínio (m). Foi determinado também o teor de carbono orgânico (CO) pelo método de combustão Walkley-Black, segundo Tedesco et al. (1995). A resistência mecânica do solo à penetração (RP) foi medida em 48 pontos amostrais, até a profundidade de 0,30m, utilizando o método do penetrômetro de impacto (Stolf, 1991).
A amostragem de raízes das gramineas foram realizadas pelo método do monólito (Böhm, 1979), nas dimensões de 0,40m de comprimento × ,30m de altura × 0,035m de largura, com o auxílio de placas com pregos, totalizando 16 placas de pregos (quatro repetições por tratamento). Após a coleta, os monólitos foram embalados com filme plástico e encaminhados ao laboratório, para o procedimento de lavagem e separação das raízes.
A lavagem consistiu em saturar a placa por 24h em solução de NaOH 0,2mol·l-1 para dispersar o solo e facilitar a lavagem das raízes e, após este período, estas foram lavadas com água corrente ou jatos leves de água para retirada do solo da placa. Os pregos permitiram uma adequada fixação das raízes no momento da lavagem, o que também foi obtido com o uso de uma malha de metal no fundo e na frente da placa. Finalizado o processo de lavagem, as raízes distribuídas no monólito foram separadas por camadas (0-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m), cortadas e lavadas em uma peneira com abertura de 1mm, armazenadas em sacos plásticos e refrigeradas a uma temperatura de 2ºC. Posteriormente, as raízes foram digitalizadas em scanner HP Scanjet 3570C para determinação do volume radicular (VR), comprimento radicular (CR), área radicular (AR) e diâmetro médio radicular (DMR), através do Software SAFIRA. Após o escaneamento, as raízes foram secas em estufa a 65ºC por um período de 72h, para obtenção da massa seca de raízes. Pela relação dos valores de massa seca de raízes e o volume de solo que estas ocupavam, obteve-se a densidade radicular (DR) de cada camada avaliada.
Em todos os monólitos coletados, fez-se a medição da espessura da camada de solo e de estéril, conforme apresentado na Tabela II.
Os resultados obtidos foram submetidos à análise de variância e, havendo efeito de tratamento, as médias foram comparadas pelo teste de Tukey (p<0,05). A relação entre as variáveis de raiz e de solo foi avaliada por meio da correlação de Pearson (p<0,05). Todas as análises foram realizadas por meio do software Sigmaplot (2004).
Resultados e Discussão
Nas camadas de 0-0,10m e 0,10-0,20m a Urochloa brizantha apresentou a maior DR em relação às demais espécies, bem como apresentou o maior VR, CR e AR em relação ao Paspalum notatum e Cynodon dactylon (Tabela III). Consequentemente, o solo sob este tratamento apresentou a menor Ds, a maior PT e Ma em relação aos demais tratamentos até a profundidade de 0,20m (Tabela IV). Este resultado concorda com Fidalski et al.(2009), Chioderoli et al. (2012) e Lima et al. (2015), que atribuíram, em solos agrícolas, a redução da Ds e o incremento da PT e Ma até a profundidade de 0,20m ao sistema radicular da Urochloa brizantha, considerando-a uma boa alternativa para uso no manejo preventivo da compactação ou na recuperação de solos compactados.
Letras iguais na coluna não diferem entre si (teste deTukey; p<0,05); ns: não significativo.
A maior concentração dos atributos radiculares das espécies estudadas na camada de 0-0,10m em relação às camadas inferiores (Tabela III) é uma característica natural da maioria das gramíneas (Jackson et al., 1996; Guenni et al., 2002; Peek et al., 2005). Todavia, os valores de Ds>1,40Mg·m-3, Ma<0,10m3·m-3 e RP>2MPa abaixo da camada de 0-0,10m (Tabela IV), considerados restritivos para a maioria das culturas agrícolas em solos argilosos (Reichert et al., 2003, 2009a; Girardelo et al., 2011; Otto et al., 2011; Baquero et al., 2012; Lima et al., 2013; Girardelo et al., 2014), podem ter influenciado no menor desenvolvimento radicular das espécies em profundidade. Maior concentração de raízes de diferentes gramíneas na superfície do solo em razão da presença de condições adversas existentes em profundidade também foi observada por diversos autores (Silva et al., 2006; Bonfim-Silva et al., 201; Silva et al., 2014; Nunes et al. (2015).
Letras minúsculas iguais na coluna não diferem entre si (teste deTukey; p<0,05). ns: não significativo.
A presença de camadas compactadas em profundidade, frequentemente observadas em solos construídos, deve-se à intensa utilização de máquinas pesadas durante a recomposição topográfica do novo solo, como já relatado por Neto et al. (2008), Wick et al. (2009), Sheoran et al. (2010), Borůvka et al. (2012), Stumpf et al. (2014) e Sena et al. (2015). No presente estudo, a compactação subsuperficial é evidenciada através dos valores de densidade crítica estimados pela a equação de Reichert et al. (2009b; Tabela V). Isto é, após 103 meses de reintrodução da vegetação, as densidades críticas restritivas às raízes (DcRest) das diferentes espécies, na camada de 0-0,10m, foram superiores às observadas neste estudo, que variaram de 1,22 a 1,45Mg·m-3. Por outro lado, nas camadas de 0,10-0,20m e 0,20-0,30m as DcRest foram inferiores às Ds encontradas nos diferentes tratamentos, exceto para U. brizantha (Tabela V).
* DcRest= -0,00078 argila + 1,83803.
Com relação ao volume de solo ocupado pelas raízes na camada arável, Anghinoni e Meurer (1999) afirmam que este valor é <1%. Neste estudo, entretanto, o VR observados respectivamente nas camadas de 0-0,10m e 0,10-0,20m, foram de 3,2 e 1,7% para U. brizantha, de 2,3 e 1% para H. altíssima, de 1,1 e 0,8% para C. dactylon e de 0,8 a 0,2% para P. notatum (Tabela III), evidenciando a presença da condição física do solo inadequada abaixo dos 0,10m, com a concentração das raízes na camada superficial.
Por outro lado, os maiores valores de DR, VR, CR e AR apresentado por todas as espécies na camada de 0-0,10m (Tabela III), somados à deposição de resíduos vegetais na superfície, conforme observação feita a campo, contribuíram para a obtenção dos maiores teores de CO na camada de 0-0,10m em relação à de 0,10-0,20m (Tabela IV). O principal input de matéria orgânica no solo se dá pela decomposição dos resíduos da parte aérea e raízes (Izquierdo et al., 2005). Por sua vez, embora os teores de CO não apresentarem diferença estatística entre as espécies vegetais estudadas nas camadas de 0-0,10m e 0,20-0,30m, verifica-se que os teores de CO na camada de 0,20-0,30m são superiores aos da camada 0-0,10m (Tabela IV). Todavia, na camada de 0-0,10m o teor de CO é proveniente da maior presença de raízes (Tabela III) e da deposição de resíduos da parte aérea. Na camada de 0,20-0,30m, o relativamente elevado teor de CO deve-se, possivelmente, à presença de fragmentos de carvão no estéril, conforme mostrado na Tabela II. Elevados teores de carbono em estéreis também foram observados por Silva (2012) e Bitencourt (2014). No entanto, o carbono presente nos estéreis tem limitada aplicação como condicionador do solo, pois apresenta maior caráter aromático, teor carboxílico inferior e relação C/N mais baixa que o carbono normalmente observado em solos naturais (Dick et al., 2002). Deve-se considerar que, em função da natural variabilidade da distribuição radicular no solo, análise com níveis rigorosos de significância como os adotados neste estudo, não são os mais adequados e uniformizam os resultados, como os obtidos na camada 0,10-0,20m da Tabela III. Sugere-se a adoção de outros tratamentos estatísticos para este tipo de estudo.
A presença de carvão é corroborada com a análise da composição química da camada de 0,20-0,30m, principalmente relacionada aos elevados valores de acidez potencial e saturação por alumínio e baixos valores de pH (Tabela VI), evidenciando assim o processo de sulfurização nesta camada devido à presença de estéreis. Fragmentos de rochas (material estéril) que contém enxofre reduzido, como o carvão, quando expostos ao ar e à água resultam na produção de grandes quantidades de ácido sulfúrico, que em contato com a água de drenagem e oxigênio gera a água ácida de mina, com valores de pH muito baixos (Brady e Weil, 2013). O processo de sulfurização após 24 anos de construção do solo em diferentes áreas de mineração no Rio Grande do Sul, Brasil, com implicações negativas no desenvolvimento da vegetação e na recuperação da área degradada também foi observado por Inda et al. (2010).
Contudo, os resultados observados na Tabela VI também evidenciam os efeitos positivos da incorporação de calcário até a profundidade ~0,15m, ocorrida antes da implantação das espécies vegetais. Os valores de pH mostram-se acima ou próximos do valor de referência para gramíneas perenes de verão (pH>5,5) nas camadas de 0-0,10m e 0,10-0,20m, enquanto que os teores de Ca e Mg variaram de altos (>4,0cmolc·kg-1) a médios (2,1-4,0cmolc·kg-1), a saturação de bases (V) variou de alta (>80%) a média (65-80%) e a saturação por alumínio (m)variou muito baixa(<1%) a baixa (1-10%), de acordo com CQFS (2004).
Na camada de 0,10-0,20m o maior teor de CO proporcionado pela U. brizantha deve-se possivelmente ao maior volume radicular que esta espécie apresenta (Tabela III) mesmo em condições de Ds e RP elevados (Tabela IV). Espécies de plantas com sistemas radiculares profundos e abundantes e uma elevada produção de biomassa podem produzir maiores quantidades de carbono orgânico, e consequentemente recuperar as propriedades físicas do solo (Ralisch et al., 2010; Baquero et al., 2012).
O estabelecimento de vegetação e a gradual adição de resíduos durante o período de recuperação de solos minerados têm sido reportados como a razão para as melhorias no conteúdo de carbono orgânico ao longo do tempo (Maharana e Patel, 2013). Li et al. (2015) observaram que solos construídos há 18 anos apresentavam um teor de carbono orgânico de 11,55 a 33,00g·kg-1, enquanto que um solo construído há 1 ano apresentava 6,00g·kg-1. Zhao et al. (2013) também observaram que um solo construído com 13 anos de idade apresentou teor de carbono orgânico cerca de 2,0 e 3,1 vezes mais elevado do que solos construídos há 3 e 4 anos, respectivamente. Por sua vez, Akala e Lal (2001) também observaram que o conteúdo de carbono orgânico aumentou de 9,2Mg·ha-1em solos construídos há 5 anos para 55,4Mg·ha-1 após 15 anos de recuperação.
O efeito positivo do desenvolvimento do sistema radicular das espécies vegetais ao longo do tempo é evidenciado através da correlação positiva das variáveis de raiz (DR, VR, CR e AR) com o teor de CO (Tabela VII). Ressalta-se que devido à presença de estéreis, que podem mascarar os resultados de CO do solo, e a quase ausência de raízes na camada de 0,20-0,30m, as correlações foram realizadas com os resultados obtidos na profundidade de 0,20 m, onde a presença da camada de solo foi predominante (Tabela II).
Apesar dos resultados de Ds, PT, Ma e RP evidenciarem a presença de uma camada compactada abaixo dos 0,10m, mesmo após 103 meses de condução do experimento (Tabela IV), é possível observar o efeito positivo das raízes na recuperação dos atributos físicos do solo através da correlação positiva entre as variáveis de raiz (DR, VR, CR e AR) e a PT e Ma na profundidade de 0,20m (Tabela VII). Destes parâmetros, a DR é a que apresenta as melhores correlações com os outros atributos, exceção ao Mi, sendo um bom indicador da capacidade de recuperação estrutural do solo pelas raízes.
DR: densidade radicular, VR: volume radicular, CR: comprimento radicular, AR: área radicular, DMR: diâmetro médio radicular, Ds: densidade do solo, PT: porosidade total, Ma: macroporosidade, Mi: microporosidade, RP: resistência do solo à penetração, CO: carbono orgânico.
*Significativo a 5% de probabilidade de erro, ** significativo a 1% de probabilidade de erro.
De forma geral, é possível dizer que o período de 103 meses foi o suficiente para que as diferentes gramíneas se desenvolvessem na camada de 0-0,10m e proporcionassem melhorias na estrutura do solo nesta camada. Possivelmente, o mesmo período seja suficiente para que a qualidade estrutural das demais camadas seja recuperada através do desenvolvimento radicular das plantas em profundidade.
Conclusões
O desenvolvimento, em profundidade, das raízes das gramíneas estudadas é afetado pela alta densidade do solo e resistência mecânica à penetração, baixa porosidade total e macroporosidade, baixa concentração de bases trocáveis e pH ácido, advindos do processo de construção do solo pelo uso de máquinas pesadas e a presença de estéreis contaminados por pirita.
A menor densidade e resistência do solo à penetração e a maior macroporosidade apresentadas na camada de 0-0,10m em relação às camadas subjacentes foram proporcionadas pela maior presença de raízes das gramíneas nesta camada do solo construído.
Entre as quatro espécies estudadas, a Urochloa brizantha se destaca pela sua maior densidade, volume, área e comprimento radicular, principalmente na camada abaixo de 0-0,10m, apresentando assim um maior potencial em recuperar os atributos físicos de áreas degradadas, principalmente em profundidade.
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Autor notes