Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Ecologia, Programa de Pós-Graduação em Ecologia, 2008. / Submitted by Jaqueline Oliveira (jaqueoliveiram@gmail.com) on 2008-11-20T17:19:01Z No. of bitstreams: 1 TESE_2008_ErikaBFernandes.pdf: 899635 bytes, checksum: 08b5a7a9b5269f642cdaede41e9ba7e8 (MD5) / Approved for entry into archive by Georgia Fernandes(georgia@bce.unb.br) on 2009-02-04T16:30:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TESE_2008_ErikaBFernandes.pdf: 899635 bytes, checksum: 08b5a7a9b5269f642cdaede41e9ba7e8 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-02-04T16:30:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TESE_2008_ErikaBFernandes.pdf: 899635 bytes, checksum: 08b5a7a9b5269f642cdaede41e9ba7e8 (MD5) / O objetivo desse estudo foi avaliar as emissões de CO2, NO e N2O em Latossolos sob diferentes sistemas de cultivo em plantio direto na região do Cerrado. Os resultados são apresentados em três capítulos. O Capítulo 1 refere-se ao estudo dos efeitos de doses crescentes de fertilizante nitrogenado nos fluxos de gases traço ao longo do ciclo de cultivo de milho de sequeiro (nov.2004 a abr.2005). O experimento foi desenvolvido na Fazenda Dois J1 (município de Rio Verde, Goiás) em blocos ao acaso, com três repetições para testar dois níveis de nitrogênio (70 e 120 kg N ha-1) contra tratamento controle (sem adição de N) e dois locais de coleta (linha e entrelinha de plantio). A adição de 20 kg de N ha-1 na linha de plantio na forma de uréia um dia após o plantio não foi suficiente para alterar os valores de fluxo de N-NO. Vinte e oito dias após a emergência, a adição de 50 kg de N ha-1 em cobertura na forma de uréia (tratamento N1), incrementou os fluxos de N-NO na linha (12,5 ± 9,4 ng N-NO cm-2 h-1) e entrelinha (3,2 ± 1,7 ng N-NO cm-2 h-1) em relação ao controle (0,5 ± 0,2 ng N-NO cm-2 h-1) e a adição de 100 kg de N ha-1 em cobertura na forma de uréia (tratamento N2) incrementou os fluxos de N-NO na linha (7,7 ± 4,3 ng N-NO cm-2 h-1) e entrelinha (4,4 ± 2,1 ng N-NO cm-2 h-1) em relação ao controle (0,4 ± 0,3 ng N-NO cm-2 h-1). Os fluxos de N-N2O na linha aumentaram após a aplicação dos tratamentos N1 e N2 e variaram de 0,9 a 4,4 ng N-NO cm-2 h-1, enquanto o valor médio no tratamento controle foi –1,7 ng N-NO cm-2 h-1. Não houve diferença significativa para os fluxos de óxidos de N entre os dois níveis de N e entre linhas e entrelinhas. A disponibilidade de N-NH4 + explicou os fluxos de N-NO nos tratamentos N1 e N2, linha e entrelinha. Os fluxos de C-CO2 não foram alterados com as fertilizações aplicadas e responderam positivamente à disponibilidade de água no solo. O Capítulo 2 aborda três sistemas de produção em plantios comerciais: 1. Rotação milho-Brachiaria-feijão irrigado (ago.2003 a fev.2004), 2. Soja em monocultivo de verão seguida de vegetação espontânea (nov.2003 a abr.2004), 3. Algodão não irrigado em monocultivo de verão cultivado sob palhada de Brachiaria (nov.2004 a ago.2005). Os estabelecimentos rurais avaliados estão situados no município de Cristalina, Goiás (Fazenda Dom Bosco para os sistemas 1 e 2, e Fazenda Pamplona para o sistema 3). Em cada sistema de cultivo foi estabelecida uma parcela (10 x 15 m) onde se procedeu à determinação dos fluxos de NO, N2O e CO2, temperatura do solo, N mineral disponível, biomassa microbiana e espaço de poros preenchido por água, ao longo do ciclo das culturas avaliadas. Adicionalmente, foram abertas três trincheiras para determinação dos estoques de C e N do solo até 30 cm de profundidade. Nos cultivos de verão, a entrada de nitrogênio via fertilização elevou predominantemente os fluxos de N-NO em comparação a N-N2O. No milho a adição de 103,2 kg N ha-1 elevou os fluxos para 3,9 ng N-NO cm-2 h-1 e a adição de 18,4 kg N ha-1 elevou para 8,8 ng N-NO cm-2 h-1, no algodão a adição de 90 kg N ha-1 elevou os fluxos para 39,3 ± 20,1 ng N-NO cm-2 h-1 (linha) e para 83,3 ± 11,9 ng N-NO cm-2 h-1 (entrelinha). No cultivo da soja os fluxos de N-NO foram semelhantes aos da área de cerrado nativo utilizada para comparação. No feijão irrigado, cultivado no inverno, a N-fertilização elevou tanto os fluxos de N-NO quanto os de N-N2O, após a adição de 81,0 kg N ha-1 o fluxo de N-NO foi 5,0 ng N-NO cm-2 h-1 e o de N-N2O foi 2,3 ng N-N2O cm-2 h-1, e após a adição de 2,4 kg N ha-1 o fluxo de N-NO foi 12,2 ng N-NO cm-2 h-1 e o de N-N2O foi 10,6 ng N-N2O cm-2 h-1. Fluxos de N-N2O elevados foram medidos durante a senescência das plantas de feijão irrigado (1,7 ± 1,2 ng N-N2O cm-2 h-1), soja (3,8 ± 1,2 ng N-N2O cm-2 h-1) e algodão (1,6 ± 2,7 ng N-N2O cm-2 h-1). Os Fatores de Emissão de N-NO Induzida por fertilizantes foram 0,1% (milho), 0,2% (feijão irrigado) e 0,4% (algodão). Para o N-N2O foram, 0,3% (milho), 0,2% (feijão irrigado) e 0,2% (algodão). Em relação à área nativa, a respiração do solo foi maior no cultivo do feijão irrigado (0,8 a 1,8 mmol C-CO2 m-2 s-1), menor no cultivo do algodão (0,2 a 2,3 mmol C-CO2 m-2 s- 1) e semelhante nos cultivos de soja e milho (0,5 a 1,8 mmol C-CO2 m-2 s-1). O Capítulo 3 aborda o sistema de Integração Lavoura-Pecuária-ILP (nov.2003 a abr.2005), também na Fazenda Dom Bosco (município de Cristalina, Goiás). A ILP caracterizou-se pelo cultivo do feijão de sequeiro sobre palhada de Panicum (dez.2003 a mar.2004), seguido de sorgo para silagem em consórcio com Panicum (mar. a jun.2004), pousio (jul. a nov.2004) e pastagem de Panicum regenerada (nov.2004 a abr.2005). Em comparação com o cerrado nativo, fluxos de N-NO mais altos foram registrados após o plantio (8,9 ng N-NO cm-2 h-1) e na senescência do feijão (5,7 ng N-NO cm-2 h-1), após a fertilização do sorgo (8,6 ng N-NO cm-2 h-1) e no crescimento da pastagem (8,2 ± 7,1 N-NO ng cm-2 h-1) que também apresentou fluxos de N-N2O altos (14,1 ng N-N2O cm-2 h-1). Fluxos altos de C-CO2 foram mensurados após a fertilização do sorgo (1,6 mmol C-CO2 m-2 s-1) e durante o cultivo da pastagem (2,8 mmol C-CO2 m-2). Estimou-se uma perda de 0,6 Mg C ha-1 ano-1 e de 0,3 Mg C ha-1 ano-1 nos estoque de C do solo (0 a 30 cm) na área da soja em 31 anos sob cultivo e da rotação milho-feijão irrigado em 10 anos, respectivamente. Após 8 anos de implantação do sistema ILP, em uma área que esteve anteriormente sob cultivo convencional de soja (10 anos) e pastagem (13 anos) e, no algodão cultivado sob a palhada de Brachiaria após 27 anos não foram detectadas diferenças nos estoques de C e N do solo em relação à área de cerrado nativo. Os resultados indicam que sistemas de cultivo diversificados, a exemplo da ILP, favorecem a manutenção de C e N no solo. Tais sistemas colocam-se como uma alternativa para a recuperação de solos agrícolas degradados e para a sustentabilidade ambiental em áreas agrícolas já estabelecidas. No entanto, é necessária a adoção de práticas que melhorem a eficiência da fertilização nitrogenada e do uso de N pelas diferentes culturas, reduzindo as perdas de N na forma de NO e N2O. Embora os Fatores de Emissão de N2O e de NO Induzida por fertilizantes calculados nesse estudo sejam inferiores aos estabelecidos pelo IPCC, há um aumento das emissões em áreas cultivadas em relação às áreas sob vegetação nativa de Cerrado que pode ser significativo quando se considera a extensão territorial voltada para produção agrícola no Cerrado. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / The objective of the study was to evaluate the CO2, NO, N2O emissions from Oxisols (Latossolos) under different no-till cropping systems in the Cerrado region (Central Brazil). The results are presented in three chapters. Chapter 1 presents a study on the effects of increasing doses of nitrogen fertilizer on the fluxes of trace gases along the crop cycle of non-irrigated maize (Nov.2004 to Apr.2005). The experiment was carried out in the municipality of Rio Verde (Federal State of Goiás) (DoisJ1 Farm) in randomized blocks with three repetitions. Two levels of nitrogen were tested (70 and 120 kg N ha-1) comparing rows and between rows. Control treatment consisted of no addition of N fertilizer. The broadcasting fertilization with 50 kg N ha-1 (as urea) (treatment N1) increased the NO-N fluxes in the rows (12.5 ± 9.4 ng NO-N cm-2 h-1) and between the rows (3.2 ± 1.7 ng NO-N cm-2 h-1) compared to control treatment (0.5 ± 0.2 ng NO-N cm-2 h-1). The broadcasting fertilization with 100 kg N ha-1 (as urea) (treatment N2) increased the NO-N fluxes in the rows (7.7 ± 4.3 ng NO-N cm-2 h-1) and between the rows (4.4 ± 2.1 ng NO-N cm-2 h-1) compared to control treatment (0.4 ± 0.3 ng NO-N cm-2 h-1). N2O-N fluxes in the rows were increased after the N1 and N2 application and ranged from 0.9 to 4.4 ng NO-N cm-2 h-1 against -1.7 ng NO-N cm-2 h-1. in the control treatment. N oxides fluxes did not differ significantly between N1 and N2, and rows and between the rows. Availability of NH4 +-N explained NO-N fluxes in N1 and N2 treatment, in the rows and between the rows. Fluxes of CO2–C fluxes were not influenced by N fertilization but responded positively to increasing soil humidity. Chapter 2 presents a study comparing three cropping systems in commercial plantations: 1. maize-Brachiaria-irrigated bean rotation (Aug.2003 to Feb.2004), 2. soybean monoculture followed by natural fallow (Apr.2004 to Nov.2003), 3. Non irrigated cotton after Brachiaria ruzizienses (Aug.2005 to Nov.2004). The commercial plantations are located in the municipality of Cristalina (Federal State of Goiás, Brazil) (Dom Bosco Farm for systems 1 and 2, and Pamplona Farm for the system 3). One plot (10 x 15 m) was established in each cropping system for measurements of NO-N, N2O-N and CO2-C fluxes, air and soil temperature, inorganic-N availability, microbial biomass and soil water-filled pore space along crop cultivation periods. Additionally, three soil trenches from 0-30 cm depth were opened to determine the C and N soil stocks. In the summer crops, the fertilization with N induced predominantly NO-N fluxes compared to N2O-N fluxes. During maize cultivation, the addition of 103.2 kg N ha-1 increased NO-N fluxes to 3.9 ng NO-N cm-2 h-1 and the addition of 18.4 kg N ha-1 to 8.8 ng NO-N cm-2 h-1. During cotton cultivation, the addition of 90 kg N ha-1 increased NO-N fluxes to 39.3 ± 20.1 ng NO-N cm-2 h-1 (in the rows) and to 83.3 ± 11.9 ng NO-N cm-2 h-1 (between the rows). During soybean cultivation, NO-N fluxes were similar to those from native cerrado area used for comparison. During cultivation of bean with irrigation (winter), N-fertilization increased both NO-N and N2O-N. After addition of 81.0 kg N ha-1, NON flux was 5.0 ng NO-N cm-2 h-1 and N2O-N was 2.3 ng N2O-N cm-2 h-1 and after the subsequent addition of 2.4 kg N ha-1 fluxes were even higher (NO-N = 12.2 ng NO-N cm-2 h-1 and N2O-N = 10.6 ng N2O-N cm-2 h-1). High N2O-N fluxes were measured during the senescence of irrigated bean (1.7 ± 1.2 ng N2O-N cm-2 h-1), soybean (3.8 ± 1.2 ng N2O-N cm-2 h-1) and cotton (1.6 ± 2.7 ng N2O-N cm-2 h-1). Fertilizer-induced emission factors (FEI) estimated in this study for NO-N were 0.1% (maize), 0.2% (irrigated beans) and 0.4% (cotton) while for N2O-N were 0.3% (maize), 0.2% (irrigated beans) and 0.2% (cotton). Comparing with an area under native cerrado vegetation, soil respiration was higher under cultivation of bean with irrigation (0.8 to 1.8 mmol CO2–C m-2 s-1), lower under cotton cultivation (0.2 to 2.3 mmol CO2–C m-2 s- 1) and similar under soybean and maize cultivation (0.5 to 1.8 mmol CO2–C m-2 s-1). Chapter 3 presents results regarding the pasture-crop integrated system (Nov.2003 to Apr.2005), located in the municipality of Cristalina, Goiás (Dom Bosco Farm). The pasture-crop integrated system is a sequence of the non irrigated bean cultivated under Panicum straw (Dez.2003 to mar.2004), sorghum-Panicum intercropping (Mar.2004 to Jun.2004), uncovered soil (Jul.2004 to Nov.2004) and pasture (Nov.2004 to Abr.2005). Comparing with an area under native cerrado vegetation, higher NO-N fluxes were measured after planting (8.9 ng NO-N cm-2 h-1), during the senescence of bean (5.7 ng NO-N cm-2 h-1), after sorghum fertilization (8.6 ng NO-N cm-2 h-1) and under growing Brachiaria (8.2 ± 7.1 NO-N ng cm-2 h-1). During Brachiaria cultivation higher N2O-N fluxes (14.1 ng N2O-N cm-2 h-1) were also measured. Higher CO2-C fluxes were measured after sorghum fertilization (1.6 mmol CO2–C m-2 s-1) and again during Brachiaria cultivation (2,8 mmol CO2–C m-2). Estimated losses of C stocks were 0.6 Mg C ha-1 yr-1 after 31 years under soybean monoculture followed by natural fallow and 0.3 Mg C ha-1 yr-1 after 10 years under maize-Brachiaria-irrigated bean rotation. There no differences in soil C and N stocks between the area under native cerrado vegetation and after 27 years of cotton cultivated under Brachiaria straw and after 8 of pasture-crop integrated that was implemented after soybean under conventional system (10 years) and pasture (13 years). Rotation systems, as pasture-crop integrated system, are good options to recover degraded agricultural soils and to improved environmental sustainability in agricultural areas already established. However, there is a need to adopt practices that improve the efficiency of nitrogen fertilization and use of N by different crops to reduce N losses via NO and N2O emissions to the atmosphere. Although FEI from NO and N2O estimated in this study are lower than those established by the IPCC, emissions from cultivated areas compared to areas under native Cerrado vegetation can be of relevance when territorial extension dedicated to agricultural production in Cerrado is considered.

The replacement of the native vegetation by pastures and silviculture can result in clear changes on the carbon and nitrogen pools, stocks and dynamics. We aimed to assess the impact of the woodland cerrado (cerradão) conversion into pastures and Eucalyptus plantations on the soil organic carbon (SOC) labile pools and dynamics, on the concentrations of N variables and on the potential for nitrogen mineralization (PMN) in the first 200 cm of the soil profile. We also assessed the seasonal variation on the overall variability in soil C and N pools and dynamics. Finally, we investigated the C and N stocks belowground (up to 50 cm depth) and C stocks aboveground. We had three sampling sites in a region originally covered by cerradão physiognomy. Each sampling included a control area (Cerrado) and two land uses (Pasture, Eucalyptus). Soil samples were taken at 0-10, 10-30, 30-50, 50-100 and 100-200 cm depths during the dry and wet climate seasons, from which we used the first three depths for stocks calculation. We also collected litter and herbs+shrubs biomass, and measured the tree biomass for C stocks calculation. Our results showed ~50% reduction of the microbial biomass (MBC) and MBC:SOC for pastures and Eucalyptus plantations, indicating lower SOC stability. Reduction in the dissolved organic carbon (DOC) and DOC:SOC, and increment on the metabolic quotient were also registered for both land uses along the soil profile up to 30 or 50 cm depth. Higher SBR and qCO2 rates are associated to a microbial community under stress. Land use effect on SOC labile pools and dynamics was more marked in the dry season. The inorganic forms of nitrogen (NH4-N and NO3-N) and PMN were significantly affected by land use conversion, with decreases in both land uses compared to native Cerrado, with lower values found in Eucalyptus. Urease activity also decreased with land conversion. The N variables all decreased with depth from 10 to 50 cm depth. Land conversion also resulted in C and N stock losses, and in redistribution among the system compartments. Pastures showed 53% less overall C stock, and Eucalyptus plantations had 20% more. Carbon was mostly stored belowground in pastures, and aboveground in Eucalyptus, as the native Cerrado showed a balanced distribution. Aboveground, C was 94% reduced in pastures compared to Cerrado, and 80% increased in Eucalyptus plantations; belowground, pastures had 19% and 25% reductions in the overall C and N stocks respectively, with significant decreases for the stocks of arboreal C, MBC, coarse root C and N, NO3-N and PMN. Eucalyptus plantations had 23% decrease in C and 19% in N stocks, with significant reductions in the stocks of herbs+shrubs C, MBC, fine and coarse root C, fine root N, NH4-N and PMN. Both land uses had similar overall losses of C and N belowground, which were evident until 50 cm depth, but higher at the 10-30 cm layer. Our results show negative impacts on carbon and nitrogen pools, cycling processes and stocks due to Cerrado conversion to pastures and Eucalyptus plantations / A substituição da vegetação nativa por pastagem e silvicultura pode resultar em mudanças nas concentrações, estoques e dinâmica do carbono e nitrogênio. O objetivo do trabalho foi analisar o impacto da conversão de cerradão em pastagens de braquiária e plantações de eucalipto na dinâmica e na concentração de variáveis da fração lábil do carbono orgânico do solo (SOC), nas concentrações das variáveis de nitrogênio e no seu potencial de mineralização (PMN), para os primeiros 200 cm de profundidade do solo. Foi ainda avaliada a variação sazonal na variabilidade das concentrações e dinâmicas de C e N no solo. Além disso, investigamos os estoques de C e N abaixo do solo (até 50 cm de profundidade) e os estoques de C acima do solo. Nossas amostragens foram realizadas em três áreas de pesquisa, numa região originalmente coberta por cerradão. Cada área de pesquisa era constituída por um sítio controle (Cerrado) e dois usos das terras (pastagem, eucalipto). Amostras de solo foram coletadas nas profundidades de 0-10, 10-30, 30-50, 50-100 e 100-200 cm durante as estações seca e chuvosa, para as análises das frações de C e N; para o cálculo dos estoques de C e N, foram utilizadas somente as três primeiras profundidades. Também coletamos serapilheira e biomassa de herbáceas + arbustos, assim como tiramos medidas das árvores para o cálculo do estoque de C acima do solo. Nossos resultados mostraram uma redução de aproximadamente 50% da biomassa microbiana (MBC) e da taxa MBC:SOC para pastagens e plantios de eucalipto, indicando menor estabilidade do carbono orgânico do solo. Também foram registrados decréscimos para o carbono orgânico dissolvido (DOC) e para as taxas DOC:SOC, além de aumentos para o quociente metabólico em ambos os usos, ao longo do perfil do solo até 30 ou 50 cm de profundidade. Taxas mais altas de respiração edáfica e do quociente metabólico estão associadas a uma comunidade microbiana sob estresse. O efeito do uso das terras nas concentrações e na dinâmica das variáveis lábeis do C orgânico do solo foi mais acentuado na estação seca. As formas inorgânicas de nitrogênio (NH4-N e NO3-N) e PMN foram significativamente afetados pela conversão do uso da terra, com decréscimos em ambos os usos em comparação ao Cerrado nativo, sendo menores os valores encontrados no Eucalipto. A atividade da urese também decresceu com a mudança de uso. Todas as variáveis de N diminuíram com a profundidade de 10 a 50 cm. A conversão de uso também resultou em perdas nos estoques de C e N e em sua redistribuição entre os compartimentos acima e abaixo do solo. O estoque total de C em pastagens reduziu em 53% e nas plantações de eucalipto ocorreu aumento de 20%. O carbono foi armazenado principalmente abaixo do solo em pastagens e acima do solo nos plantios de eucaliptos, enquanto que o Cerrado nativo apresentou uma distribuição equilibrada entre esses dois grandes compartimentos. Na pastagem, foi registrada uma redução de 94% no estoque da biomassa aérea, em comparação com o Cerrado, enquanto que as plantações de eucalipto apresentaram um aumento de 80%; abaixo do solo, as pastagens tiveram reduções de 19% e 25% nos estoques totais de C e N, respectivamente, com decréscimos significativos para o estoque C de árvores, de MBC, de C e N de raizes grossas, de NO3-N e de PMN. As plantações de eucalipto tiveram redução de 23% para o estoque total de C abaixo do solo e de 19% para o estoque de N (abaixo do solo), com reduções significativas para estoque C da biomassa de ervas + arbustos, de MBC, de C de raízes finas e grossas, bem como para os estoque de N de raízes finas, de NH4-N e de PMN. Ambos os usos da terra tiveram perdas totais semelhantes para os estoques de C e N abaixo do solo, que ficaram evidentes até 50 cm de profundidade, porém, mais significativos na camada de 10-30 cm. Nossos resultados demonstraram impactos negativos da conversão do cerrado em pastagens e plantações de eucalipto para as concentrações de carbono e nitrogênio, assim como em seus processos de ciclagem e estoques