Agriculture management including tillage and crop residues impact the functioning of soil microbiota. Soil microbiota cycle nutrients, with greenhouse gases being a byproduct within the cycle. The main objectives of this thesis were to 1) assess tillage and corn residue impact on N-cycling soil microorganisms and N2O emissions in situ (Chapter 3); and 2) evaluate N-cycling soil microorganisms in situ relative to N2O flux during a spring thaw cycle (Chapter 4). In situ sampling addresses how changing field conditions influence soil bacterial processes. Results indicated tillage and removal of corn residue declined soil microbial abundance and increased N2O emissions. These responses were dependent on local environmental conditions; moisture, carbon and nitrogen availability. The spring thaw study highlighted N-cycling microorganisms were present and active over the spring thaw event, and delayed nosZ denitrifier activity was related to the timing of significant N2O emission events, suggesting new evidence of de novo denitrification. / Ontario Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (OMAFRA) and Natural Science and Engineering Research Council (NSERC)

High nitrous oxide (N2O) emission potential has been identified in hemiboreal forest on drained Histosols. However, the environmental factors regulating the emissions were unclear. To investigate the importance of different factors on the N2O emission, a modeling approach was accomplished, using CoupModel with Monti-Carlo based multi-criteria calibration method. The model was made to represent a forest on drained peat soil in south-west Sweden where data of fluxes combined with soil properties and plant conditions were used. The model outcome was consistent with measurements of abiotic (soil temperature, net radiation, groundwater level and soil moisture) and biotic responses (net ecosystem exchange and soil respiration). Both dynamics and magnitude of N2O emissions were well simulated compared to measurements (8.7 ± 2.1 kg N/ha/year). The performance indicators for an ensemble of accepted simulations of N2O emission dynamics and magnitudes were correlated to calibrated parameters related to soil anaerobic fraction and atmospheric nitrogen deposition (correlation coefficient, r ≥ 0.4). A weak correlation with N2O emission dynamics was also found for biotic responses (r ≥ 0.3). However, the ME of simulated and measured N2O emissions was better correlated to the ME of soil moisture (r = -0.6), and also to the ME of both the soil temperature (r = 0.53) and groundwater level (r = -0.7). Groundwater level (range from -0.8 m to -0.13 m) was identified as the most important environmental factor regulating the N2O emissions for present forest soil. Profile analysis indicated that N2O was mainly produced in the deeper layers (≥ 0.35 m) of the soil profile. The optimum soil moisture for N2O production was around 70%.

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O cultivo de pinhão manso é indicado como uma opção multi-propósito já que além de ser utilizado como matéria-prima para produção de biodiesel, reduzindo as emissões de gases do efeito estufa (GEE) quando este biocombustível é utilizado em substituição aos combustíveis fósseis, também pode estocar C no solo. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o potencial de sequestro de C no solo em cultivos de pinhão manso, bem como as alterações na qualidade da matéria orgânica do solo (MOS). Para tanto, foram quantificados os estoques de C e N do solo e os fluxos de GEE em cultivos de pinhão manso. O cálculo das taxas de sequestro de C no solo foi efetuado pela diferença entre o acúmulo de C no solo e as emissões de GEE, expressos em C equivalente (C-eq). A qualidade da MOS foi avaliada por meio da análise isotópica, fracionamento físico, índice de manejo do C (IMC), grau de humificação (HFIL) e teores de C e N na biomassa microbiana. A conversão da vegetação nativa em agroecossistemas alterou a quantidade e composição da MOS nos biomas Cerrado, Mata Atlântica e Caatinga, especialmente nas camadas superficiais. O cultivo de pinhão manso manteve os teores e estoques de C e N do solo, independentemente do uso da terra anterior (pastagem, milho ou vegetação nativa), com tendência de aumento em função do tempo de cultivo da cultura. Adicionalmente, a análise isotópica do C e N demostrou que a partir de dois anos de cultivo do pinhão manso há mudanças na composição da MOS. As contribuições do C derivado dos resíduos vegetais do pinhão manso para o C total do solo atingiram 11,5% após 7 anos de cultivo, na camada 0-30 cm. O cultivo de pinhão manso aumentou os teores de C nas frações da MOS, o IMC e os teores de C e N da biomassa microbiana em função do tempo de implantação da cultura, o que evidencia o potencial de melhoria da qualidade da MOS desse sistema a longo prazo. O HFIL foi menor nas áreas de pinhão manso em relação à vegetação nativa, indicando que os incrementos nos teores de C nessas áreas estão associados ao aumento da matéria orgânica menos estável e que a preservação seletiva não é o principal mecanismo de acumulação de C em solos sob pinhão manso. Os fatores de emissão de N2O variaram de 0,21 a 0,46% para doses inferiores à 150 kg ha-1, sendo emitidos 0,0362 Mg ha-1 ano-1 de C-eq quando aplicada a dose média usual no cultivo de pinhão manso (75 kg ha-1 ano-1). O balanço anual entre o acúmulo de C no solo e a emissão dos GEE mostrou que o cultivo de pinhão manso por 7 anos produz saldo positivo, que significou um sequestro de 0,6 Mg ha-1 ano-1 em C-eq. O presente estudo é pioneiro no Brasil e os resultados gerados nesta pesquisa são base para a análise de ciclo de vida do pinhão manso como matéria prima para a produção de biodiesel. / Jatropha cultivation is pointed as a multipurpose option whether is used for biodiesel production reducing greenhouse gases (GHG) emissions when replaces the need for fossil fuels, and also for storing C in the soil. The overall objective of this work was to evaluate the C sequestration potential of soil cultivated with Jatropha, as well as the variations in soil organic matter (SOM) quality. Therefore, C and N stocks were determined and GHG fluxes were measured in Jatropha cultivation. The difference between results from soil C storage and GHG emissions were used to calculate the C sequestration rates, defined as the C-equivalent (C-eq). SOM quality was assessed by isotopic analysis, physical fractioning, C management index (CMI), humufication degree (HFIL) and microbial C and N content. Land use change from native vegetation to agroecosystems altered the amount and composition of soil organic matter located in biomes of Cerrado, Atlantic Forest and Caatinga, especially within the surface layers. Jatropha cultivation preserved soil N and C stocks and contents, regardless of previous land use management (pasture, maize or native vegetation), proning to increase with cultivation time. Additionally, the isotopic analysis of C and N showed changes in SOM after two years with Jatropha cultivation. After 7 years of cultivation, the contribution of carbon derived from Jatropha residues to the total amount of the element stored within the 0-30 cm layer of soil reached 11.5%. The Jatropha cultivation increased the C contents in SOM, the CMI and microbial C and N contents along with cultivation time, which highlights the potential of Jatropha cultivation to improve SOM quality in the long term. HFIL of the areas with Jatropha cultivation showed lower values compared to the native vegetation. This indicates the increments of C contents for the areas planted with Jatropha are associated to the increase of the less stable portion of SOM and that the selective preservation is not the main mechanism responsible for C accumulation in soils under Jatropha cultivation. The N2O emission factors ranged from 0.21 to 0.46% for the doses up to 150 kg ha-1. Considering the average N fertilization rates applied annually in comercial Jatropha cultivation (75 kg ha-1 yr-1), the crop is responsible for the emission of 0.0362 Mg ha-1 yr-1 of C-eq. Moreover, the annual balance between soil C storage and GHG emission indicated that Jatropha cultivation for 7 years is able to contribute to the carbon sequestration accounting for 0.6 Mg ha- 1 yr-1 of C-eq stored in the soil. This study is pioneer in Brazil and the results generated in this research are basis for life cycle analysis of the Jatropha as a feedstock for biodiesel production in Brazil.

O cultivo de pinhão manso é indicado como uma opção multi-propósito já que além de ser utilizado como matéria-prima para produção de biodiesel, reduzindo as emissões de gases do efeito estufa (GEE) quando este biocombustível é utilizado em substituição aos combustíveis fósseis, também pode estocar C no solo. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o potencial de sequestro de C no solo em cultivos de pinhão manso, bem como as alterações na qualidade da matéria orgânica do solo (MOS). Para tanto, foram quantificados os estoques de C e N do solo e os fluxos de GEE em cultivos de pinhão manso. O cálculo das taxas de sequestro de C no solo foi efetuado pela diferença entre o acúmulo de C no solo e as emissões de GEE, expressos em C equivalente (C-eq). A qualidade da MOS foi avaliada por meio da análise isotópica, fracionamento físico, índice de manejo do C (IMC), grau de humificação (HFIL) e teores de C e N na biomassa microbiana. A conversão da vegetação nativa em agroecossistemas alterou a quantidade e composição da MOS nos biomas Cerrado, Mata Atlântica e Caatinga, especialmente nas camadas superficiais. O cultivo de pinhão manso manteve os teores e estoques de C e N do solo, independentemente do uso da terra anterior (pastagem, milho ou vegetação nativa), com tendência de aumento em função do tempo de cultivo da cultura. Adicionalmente, a análise isotópica do C e N demostrou que a partir de dois anos de cultivo do pinhão manso há mudanças na composição da MOS. As contribuições do C derivado dos resíduos vegetais do pinhão manso para o C total do solo atingiram 11,5% após 7 anos de cultivo, na camada 0-30 cm. O cultivo de pinhão manso aumentou os teores de C nas frações da MOS, o IMC e os teores de C e N da biomassa microbiana em função do tempo de implantação da cultura, o que evidencia o potencial de melhoria da qualidade da MOS desse sistema a longo prazo. O HFIL foi menor nas áreas de pinhão manso em relação à vegetação nativa, indicando que os incrementos nos teores de C nessas áreas estão associados ao aumento da matéria orgânica menos estável e que a preservação seletiva não é o principal mecanismo de acumulação de C em solos sob pinhão manso. Os fatores de emissão de N2O variaram de 0,21 a 0,46% para doses inferiores à 150 kg ha-1, sendo emitidos 0,0362 Mg ha-1 ano-1 de C-eq quando aplicada a dose média usual no cultivo de pinhão manso (75 kg ha-1 ano-1). O balanço anual entre o acúmulo de C no solo e a emissão dos GEE mostrou que o cultivo de pinhão manso por 7 anos produz saldo positivo, que significou um sequestro de 0,6 Mg ha-1 ano-1 em C-eq. O presente estudo é pioneiro no Brasil e os resultados gerados nesta pesquisa são base para a análise de ciclo de vida do pinhão manso como matéria prima para a produção de biodiesel. / Jatropha cultivation is pointed as a multipurpose option whether is used for biodiesel production reducing greenhouse gases (GHG) emissions when replaces the need for fossil fuels, and also for storing C in the soil. The overall objective of this work was to evaluate the C sequestration potential of soil cultivated with Jatropha, as well as the variations in soil organic matter (SOM) quality. Therefore, C and N stocks were determined and GHG fluxes were measured in Jatropha cultivation. The difference between results from soil C storage and GHG emissions were used to calculate the C sequestration rates, defined as the C-equivalent (C-eq). SOM quality was assessed by isotopic analysis, physical fractioning, C management index (CMI), humufication degree (HFIL) and microbial C and N content. Land use change from native vegetation to agroecosystems altered the amount and composition of soil organic matter located in biomes of Cerrado, Atlantic Forest and Caatinga, especially within the surface layers. Jatropha cultivation preserved soil N and C stocks and contents, regardless of previous land use management (pasture, maize or native vegetation), proning to increase with cultivation time. Additionally, the isotopic analysis of C and N showed changes in SOM after two years with Jatropha cultivation. After 7 years of cultivation, the contribution of carbon derived from Jatropha residues to the total amount of the element stored within the 0-30 cm layer of soil reached 11.5%. The Jatropha cultivation increased the C contents in SOM, the CMI and microbial C and N contents along with cultivation time, which highlights the potential of Jatropha cultivation to improve SOM quality in the long term. HFIL of the areas with Jatropha cultivation showed lower values compared to the native vegetation. This indicates the increments of C contents for the areas planted with Jatropha are associated to the increase of the less stable portion of SOM and that the selective preservation is not the main mechanism responsible for C accumulation in soils under Jatropha cultivation. The N2O emission factors ranged from 0.21 to 0.46% for the doses up to 150 kg ha-1. Considering the average N fertilization rates applied annually in comercial Jatropha cultivation (75 kg ha-1 yr-1), the crop is responsible for the emission of 0.0362 Mg ha-1 yr-1 of C-eq. Moreover, the annual balance between soil C storage and GHG emission indicated that Jatropha cultivation for 7 years is able to contribute to the carbon sequestration accounting for 0.6 Mg ha- 1 yr-1 of C-eq stored in the soil. This study is pioneer in Brazil and the results generated in this research are basis for life cycle analysis of the Jatropha as a feedstock for biodiesel production in Brazil.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The swine manure is a major source of nitrogen (N) to crops, although its inappropriate use can lead to N losses which in return pollute environment and reduces its value as organic fertilizer. The sustainability of pig farming depends on strategies that could improve crops N utilization from pig slurry and mitigate harmful environmental impact caused by its use. The objective of this study was to evaluate the effect of full and split pig slurry (PS) application in no-till corn and wheat, with and without nitrification inhibitor (NI), on: N accumulation, productivity, and nitrous oxide (N2O) emissions. The study was conducted from November 2010 to November 2011 on a typic Hapludalf. The treatments used in corn and wheat were: 1) control; 2) PS full (pre-planting); 3) PS split (1/3 at pre-planting and 2/3 sidedressing); 4) PS full + NI; 5) PS split + IN; 6) mineral NPK. Agrotain Plus was used as NI as it contains 81 % of dicyandiamide (DCD). It was used at a rate of 7 kg ha-1. The use of PS increased N accumulation and yield of maize/wheat crops and were at par with NPK mineral fertilizer. However, N2O emission was increased with PS and NPK application. Split application of PS and NI did not affected N accumulation and yield of maize and wheat crops however splitting of PS reduced N2O emissions from wheat crop. The use of NI reduced N2O soil emissions in both crops and in the two methods of PS application. On an average, N2O emission was reduced by 15.5% and 45.0 % in maize and wheat, respectively. From the results it was apparent that, the strategy of combining NI with PS could reduce environmental implications associated with the sole use of PS. / Os dejetos de suínos constituem uma importante fonte de nitrogênio (N) às culturas, embora o seu uso inadequado possa acarretar em perdas de N que poluem o ambiente e reduzem o poder fertilizante dos dejetos. A sustentabilidade da suinocultura depende de estratégias que melhorem o aproveitamento do N dos dejetos líquidos de suínos pelas culturas e que possam mitigar o impacto ambiental negativo provocado pelo seu uso agrícola. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da forma de aplicação dos dejetos líquidos de suínos (Dls) e do uso de inibidor de nitrificação (IN) sobre o acúmulo de N, a produtividade e as emissões de óxido nitroso (N2O) no cultivo do milho e do trigo em plantio direto. A pesquisa foi conduzida de novembro de 2010 a novembro de 2011 em um Argissolo Vermelho Alumínico úmbrico. Os tratamentos aplicados no milho e no trigo foram: 1) testemunha; 2) Dls em dose única (pré-semeadura); 3) Dls em dose parcelada (1/3 pré-semeadura e 2/3 cobertura); 4) Dls em dose única + IN; 5) Dls em dose parcelada + IN e 6) N-uréia + PK. O produto Agrotain Plus , que contém em sua formulação 81 % do inibidor de nitrificação dicianodiamida (DCD), foi misturado aos dejetos na dose de 7 kg ha-1. A aplicação dos dejetos aumentou o acúmulo de N e a produtividade do milho e do trigo, apresentando resultados similares à uréia. Todavia, as emissões de N2O aumentaram com a aplicação dos dejetos de suínos e da uréia. O parcelamento da dose de Dls e o uso do inibidor de nitrificação não afetaram o acúmulo de N e a produtividade do milho e do trigo, mas o parcelamento da dose de dejetos mostrou-se eficiente na redução das emissões de N2O no trigo. O inibidor de nitrificação reduziu os fluxos de N2O no milho e no trigo, nas duas modalidades de aplicação dos dejetos. Em média, o uso do inibidor de nitrificação reduziu as emissões de N2O em 15,5 % no milho e 45,0 % no trigo. Os resultados deste trabalho mostram que a estratégia de adicionar a dicianodiamida (DCD) no momento da aplicação dos dejetos de suínos no campo pode reduzir o impacto ambiental negativo provocado pelo uso agrícola dos dejetos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The managedment of the pig manure, in the slurry or solid form (deep bedding), and how it is applied to the soil, in the surface or incorporated, must affect the dynamics of the C and the N in the soil. The objectives of this work were: 1) to evaluate the dynamics of the C and the N in soil and to evaluate the N supply to maize which were applied pig manure in the slurry and solid form, in no-tillage and minimum tillage system; and 2) to use the STICS model (BRISSON et al., 1998) to simulate the dynamics of N and water in the soil-plant system with the use of pig slurry in maize under no-tillage system. To reach the first objective, three experiments were realized. Two of them in the field conditions, during the period of 2002/03 in the Experimental Area of the UFSM/RS Soil Department in a typic Hapludult and one of them in laboratory conditions. The treatments consisted in the application or no application of pig manure in the slurry and solid form (deep bedding) on the crop oats residues with and without incorporation to the soil in the maize. Aiming to reach the second objective, a data set generated in the Experimental Area of the UFSM Soil Department during the period of 1998 to 2002, involving the N dynamics in the soil-plant system, with the use of pig slurry in notillage system was used. The gotten results had indicated that the N losses by NH3 volatilization were higher with the application of pig slurry than with the application of solid manure and that these losses decrease with the incorporation of the manure to the soil. The amounts of mineral N in the soil layer of 0-90 cm did not differ between the treatments with and without incorporation of the manure in spite of the lost N amount by volatilization has been higher in the treatment without incorporation. The incorporation of the manure to the soil did not increase the straw C decomposition and nor the N immobilization. The presence of the oats straw stimulated the immobilization of the ammoniacal N applied with the pig slurry. The solid manure presented low nitrogenous fertilizing otential to the maize when compared to the pig slurry in terms of the low mineralization rate of the organic N, present in the deep bedding. The N-N2O emission increased with the application of the pig slurry on the oats straw in relation to the system with straw and without pig slurry. The pig slurry ammoniacal 15N recovery by the maize in physiological maturation stage was only 14.9%. In the same period, only 49.2% of the ammoniacal 15N applied with the slurry pig slurry were recuperated in the soil and the plant (aerial part + roots), indicating that more than a half of the ammoniacal N applied with the pig slurry was lost through the volatilization, lixiviation and denitrification processes. The STICS model underestimates the amount of N lost by ammonia volatilization after the pig slurry application. The use of a factor in STICS to express the N losses by ammonia volatilization provided an improvement in the simulations of the N dynamics in the soil. The water dynamics in the soil layer of 0 - 60 cm was simulated by STICS with an error lower than 13.5%. These work results showed that the STICS reparametred model presents potential to be used in subtropical weather conditions in the simulation of the N and water dynamics in no-tillage system with the use of pig manure. / A forma como os dejetos de suínos são manejados, se na forma líquida ou sólida (cama sobreposta), e o modo de aplicação dos mesmos no solo, se na superfície ou incorporados, devem afetar a dinâmica do C e do N no solo. Os objetivos deste trabalho foram: 1) avaliar a dinâmica do C e do N no solo e o fornecimento de N ao milho com uso de dejetos de suínos na forma líquida e sólida, em sistema plantio direto e preparo reduzido do solo; e 2) utilizar o modelo STICS (BRISSON et al., 1998) para simular a dinâmica do N e da água no sistema solo-planta com o uso de dejetos líquidos de suínos em sistema plantio direto de milho. Para atingir o primeiro objetivo, foram realizados três experimentos, sendo dois em condições de campo, no período de 2002/03 na área Experimental do Departamento de Solos da UFSM/RS, em solo Argissolo Vermelho distrófico arênico, e um em condições de laboratório. Os tratamentos consistiram da aplicação ou não de dejetos de suínos na forma líquida e sólida (cama sobreposta), sobre os resíduos culturais de aveia com e sem incorporação ao solo, na cultura do milho. Com vistas ao alcance do segundo objetivo, foi utilizado um conjunto de dados gerados na área Experimental do Departamento de Solos da UFSM no período de 1998 a 2002 envolvendo a dinâmica do N no sistema solo-planta com o uso de dejetos líquidos de suínos em sistema plantio direto. Os resultados obtidos indicaram que as perdas de N por volatilização de NH3 foram maiores com a aplicação de dejetos líquidos de suínos do que com a aplicação de dejetos sólidos e que essas perdas diminuíram com a incorporação dos dejetos ao solo. As quantidades de N mineral na camada de 0-90 cm do solo não diferiram entre os tratamentos com e sem incorporação dos dejetos apesar da quantidade de N perdida por volatilização ter sido maior no tratamento sem incorporação. A incorporação dos dejetos ao solo não aumentou a decomposição do C da palha e nem a imobilização de N. A presença da palha de aveia estimulou a imobilização do N amoniacal aplicado com os dejetos de suínos. Os dejetos sólidos apresentaram baixo potencial fertilizante nitrogenado ao milho, comparado aos dejetos líquidos, em função da baixa taxa de mineralização do N orgânico presente na cama sobreposta. A emissão de N-N2O aumentou com a aplicação dos dejetos líquidos sobre a palha de aveia em relação ao sistema com palha e sem dejetos. A recuperação do 15N amonical dos dejetos líquidos pelo milho no estádio de maturação fisiológica foi de apenas 14,9%. Nesse mesmo período, apenas 49,2% do 15N amoniacal aplicado com os dejetos líquidos de suínos foram recuperados no solo e na planta (parte aérea + raízes), indicando que mais da metade do N amoniacal aplicado com os dejetos foi perdido através dos processos de volatilização, lixiviação e desnitrificação. O modelo STICS subestimou a quantidade de N perdida por volatilização de amônia, após a aplicação dos dejetos de suínos. O uso de um fator em STICS para expressar a perdas de N por volatilização de amônia proporcionou uma melhora nas simulações da dinâmica do N no solo. A dinâmica da água na camada 0 60 cm do solo foi simulada por STICS com um erro inferior a 13,5%. Os resultados desse estudo evidenciaram que o modelo STICS reparametrado apresenta potencial para ser utilizado em condições de clima subtropical na simulação da dinâmica do N e da água em sistema plantio direto com o uso de dejetos de suínos.