Orientador: José Frederico Centurion / Banca: Aildson Pereira Duarte / Banca: Morel de Passos e Carvalho / Banca: Marlene Cristina Alves / Banca: Itamar Andrioli / Resumo: Os solos submetidos aos sistemas de produção sem preparo estão condicionados a compactação do solo, provocado pelo tráfego de máquinas, tornando necessário o acompanhamento das alterações do ambiente físico, que quando desfavorável, restringe o crescimento radicular, podendo reduzir a produtividade das culturas. O objetivo geral foi avaliar, em condições de campo, a resposta do milho, cultivado em um Latossolo Vermelho distrófico de textura média (LVd) e um Latossolo Vermelho eutroférrico de textura argilosa (LVef) submetidos a diferentes intensidades de compactação, quanto as características agronômicas da cultura, e caracterizar adequadamente a compactação do solo a partir do intervalo hídrico ótimo (IHO). Os tratamentos foram constituídos por seis intensidades de compactação no LVd e cinco para o LVef, proporcionados pelo tráfego de tratores em um delineamento inteiramente casualizado. Foram coletadas amostras indeformadas do solo nas camadas de 0,02 0,05, 0,080,11, 0,150,18 e 0,22-0,25 m para determinação da resistência mecânica do solo à penetração, porosidade e densidade do solo e IHO. As características avaliadas da cultura foram: altura das plantas, altura de inserção da primeira espiga, diâmetro do colmo, número de espigas por planta, massa seca das plantas, massa de 1000 grãos e produtividade do milho. Para determinação da densidade, superfície e diâmetro radicular e massa seca das raízes, foram retiradas amostras do solo nas camadas de 0-0,05; 0,05-0,10; 0,10-0,15 e 0,15-0,20 m, em cada parcela. A compactação do solo restringiu todas as características avaliadas da cultura com exceção apenas do número de espigas, em ambos os solos, e a massa de 1000 grãos no LVef...(Resumo completo, clicar no acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Agricultural soils under no tillage systems are conditioned to soil compaction due to machinery traffic, which can restrict root growth and reduce crops yield. Thus, the aim of this work was to determine the Least Limiting Water Range (LLWR) and to evaluate the corn response, by agronomical traits, to different compaction levels in an Oxisol, medium texture (LVd) and a clayey Oxisol (LVef). The treatments were formed by six levels of compaction in the LVd and five levels in the LVef, proportioned by the tractor’s traffic, in a completely randomized design, with four repetitions. Undeformed soil samples were collected in layers of 0.020.05, 0.080.11, 0.150.18 e 0.22-0.25 m to determinate mechanical soil resistance to penetration, porosity and bulk density and LLWR. Crop parameters evaluated were: plants height, ear height, stem diameter, ear number per plant, plants dry matter, mass of 1,000 grains and yield of grains. For the determinations of bulk, surface, root diameter and roots dry matter there were collected soil samples in the layers of 0-0.05, 0.05-0.10, 0.10-0.15, 0.15-0.20 m, in each plot. The soil compaction restricted all of the crop parameters evaluated, with exception only of the ear number per plant, in both soils, and the mass of 1000 grains in the LVef. The LLWR was limited by the water content on field capacity and reduced by the soil resistance to penetration even in the no tractor traffic treatment, with medium density of 1.16 Mg m-3 for LVd and 1.12 Mg m-3 for LVef. The critical soil density for root growth, determined in LLWR, was of 1.46 Mg m-3 for LVd and 1.37 Mg m-3 for LVef. Values of penetration resistance between 1.03 and 5.69 MPa, in the 0-0.20 m layer, promoted modifications in the root system morphology reducing the crop yield to 38%...(Complete abstract, acess undermentioned eletronic adress) / Doutor

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O desenvolvimento das culturas pode ser afetado por combinações de estresses físicos, químicos e biológicos. Na ausência de outras limitações, os fatores físicos do solo que afetam diretamente o crescimento radicular são a resistência mecânica, a aeração e a disponibilidade hídrica. O objetivo deste trabalho foi incluir os fatores físicos do solo na modelagem do crescimento radicular de soja e de milho. As condições físicas dos solos foram modeladas com o fluxo de água em 1D e o crescimento radicular em 3D por meio da inclusão de um parâmetro de redução do estresse para o alongamento radicular. Soja e milho foram cultivados em quatro níveis de compactação em um Latossolo Vermelho. O modelo foi validado com dados de campo de conteúdo volumétrico de água, resistência do solo à penetração e densidade de comprimento radicular de soja e de milho cultivadas em diferentes níveis de compactação e condições hídricas. A taxa de alongamento radicular foi reduzida exponencialmente em função do aumento da resistência do solo à penetração, e linearmente em relação ao decrescimento da aeração ou da disponibilidade hídrica. A produtividade de grãos de soja e milho foi reduzida em função da escarificação do solo ou tráfego intenso de colhedora no Latossolo Vermelho. As densidades de comprimento radicular simulados concordaram com os valores medidos no campo. As condições físicas de resistência mecânica, hipoxia e estresse hídrico foram eficientemente incorporadas por meio do parâmetro de redução do estresse ao alongamento radicular, e podem ser usadas para avanços nos estudos de interações solo-raiz. / Crop development is affected due soil physical, chemical, and biological conditions. In the absence of others limitations, the soil physical factors that affect directly root growth are mechanical impedance, aeration and water stress. The aim of this work was to include soil physical limitations into the root growth model of soybean and maize crops. Soil physical conditions was modelling with water flux in one-dimensional and root growth in three-dimensional by stress reduction function for root elongation. Soybean and maize crops was cultivate in four soil compaction levels in a Rhodic Eutrudox. The model was validate with field data of soil water content, soil penetration resistance, and root length density of soybean and maize cropping in four soil compaction levels and two weather conditions. Root elongation rate was reduced exponentially as a function of soil penetration resistance, and linearly in relation to soil aeration or water stress. Soybean and maize grain yield was reduced due to soil chiselling and intense harvester traffic in a Rhodic Eutrudox. Soybean and maize root length density modelling agreed to field measurement. Soil physical conditions of mechanical impedance, hypoxia and water stress was successful incorporated into the root growth model by stress reduction function to root elongation, and its can be used for advances in soil-root interaction research.

O desenvolvimento das culturas pode ser afetado por combinações de estresses físicos, químicos e biológicos. Na ausência de outras limitações, os fatores físicos do solo que afetam diretamente o crescimento radicular são a resistência mecânica, a aeração e a disponibilidade hídrica. O objetivo deste trabalho foi incluir os fatores físicos do solo na modelagem do crescimento radicular de soja e de milho. As condições físicas dos solos foram modeladas com o fluxo de água em 1D e o crescimento radicular em 3D por meio da inclusão de um parâmetro de redução do estresse para o alongamento radicular. Soja e milho foram cultivados em quatro níveis de compactação em um Latossolo Vermelho. O modelo foi validado com dados de campo de conteúdo volumétrico de água, resistência do solo à penetração e densidade de comprimento radicular de soja e de milho cultivadas em diferentes níveis de compactação e condições hídricas. A taxa de alongamento radicular foi reduzida exponencialmente em função do aumento da resistência do solo à penetração, e linearmente em relação ao decrescimento da aeração ou da disponibilidade hídrica. A produtividade de grãos de soja e milho foi reduzida em função da escarificação do solo ou tráfego intenso de colhedora no Latossolo Vermelho. As densidades de comprimento radicular simulados concordaram com os valores medidos no campo. As condições físicas de resistência mecânica, hipoxia e estresse hídrico foram eficientemente incorporadas por meio do parâmetro de redução do estresse ao alongamento radicular, e podem ser usadas para avanços nos estudos de interações solo-raiz. / Crop development is affected due soil physical, chemical, and biological conditions. In the absence of others limitations, the soil physical factors that affect directly root growth are mechanical impedance, aeration and water stress. The aim of this work was to include soil physical limitations into the root growth model of soybean and maize crops. Soil physical conditions was modelling with water flux in one-dimensional and root growth in three-dimensional by stress reduction function for root elongation. Soybean and maize crops was cultivate in four soil compaction levels in a Rhodic Eutrudox. The model was validate with field data of soil water content, soil penetration resistance, and root length density of soybean and maize cropping in four soil compaction levels and two weather conditions. Root elongation rate was reduced exponentially as a function of soil penetration resistance, and linearly in relation to soil aeration or water stress. Soybean and maize grain yield was reduced due to soil chiselling and intense harvester traffic in a Rhodic Eutrudox. Soybean and maize root length density modelling agreed to field measurement. Soil physical conditions of mechanical impedance, hypoxia and water stress was successful incorporated into the root growth model by stress reduction function to root elongation, and its can be used for advances in soil-root interaction research.

Mais de 50% da dose de radiação efetiva anual recebida por um ser humano está relacionada com o Radônio e seus produtos. Os principasis mecanismos que levam o Radônio no interior das residências são a emanação do solo e a liberação do Radônio na água. Esse trabalho apresenta uma proposta de mitigação, método para redução de Radônio-222 em níveis de água de poço, utilizando o processo de aeração da água e medidas da concentração de Radônio -222 nas águas e solo. As amostras foram coletadas em poço e solo na região do Pinheirinho em Curitiba, Brasil. As medidas foram realizadas durante o período de Fevereiro a Junho de 2011, sendo analisadas em média dez amostras de cada coleta de água, entre elas oito sob o processo de aeração. As medidas foram obtidas com a câmara de ionização Radon Professional Monitor (AlfaGUARD), aparelho que verifica a concentração de Radônio na faixa de 2 - 2x106 Bq/L, ajustado em um fluxo de 0,5L/min, em um tempo aproximado de 60 minutos, no Laboratório de Radiações Ionizantes da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Os níveis de concentração de Radônio-222 foram medidos através do software AlfaEXPERT, e formulações adequadas caracterizaram a concentração desse gás em água corrigindo o tempo de decaimento devido ao atraso da coleta das amostras em relação às medições. O método de mitigação utilizado foi o de aeração, chamado Aeração Difusora, na qual ocorre a gaseificação da água em um processo de injeção de ar por um aerador conectado em uma placa porosa durante um período de 24 horas em 4 dias, já que a meia-vida do Radônio é cerca de 3,82 dias, para a diminuição da concentração de Radônio-222 nas amostras. Inicialmente as amostras apresentaram concentrações de Radônio-222 de aproximadamente 20 Bq/L, nível acima de 11,11 Bq/L recomendado pela USEPA (Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos). Após aplicar a medida de mitigação nessas amostras de água, as concentrações de Radônio-222 diminuíram satisfatoriamente e ficaram abaixo do valor esperado pelo decaimento natural do gás. / More than 50% of the effective annual radiation dose received by a human being is related to the Radon and its progeny. Among main mechanisms that bring Radon inside the dwelling are the soil emanation and radon release from the water. This present work represents a proposal of mitigation, method to reduce Radon-222 levels in well water, using the process of water aeration and measurements of Radon-222 in the water and soil. Samples were collected in a pit and soil in the region of "Pinheirinho" in the city of "Curitiba" Brazil. The Measurements were taken during the period of February till June of 2011, being analyzed by an average of ten samples of each water collected, among them eight were under the process of aeration. The measurements were obtained with ionization chamber Randon Professional Monitor (AlfaGUARD), a device that checks concentrations of Radon in the range of 2-2x106 Bq/L, adjusted in a flow of 0.5L/min, with approximate time of 60 minutes, in the laboratory for Ionizing Radiation of the Univeristy " Federal do Parana" (UTFPR). The levels of concentration of Radon-222 were measured by the software called AlfaEXPERT, and suitable formulations characterized the concentration of this gas in the water by correcting the time decay due to the delay in the collection of samples for measurements. The method of mitigation used was aeration, called Diffusing Aeration, in which there is the gasification of water in a process that injects air by an aerator connected in a porous plate during a period of 24 hours in 4 days, since the half life of Radon is approximately 3,82 days, for the reduction of the concentration of Radon-222 on samples. Initially samples had concentrations of Radon-222 aproximately from 20 Bq/L, a level above 11.11 Bq/L recomended by USEPA (United States Enviromental Protection Agency). After Applying the measurements to mitigate these samples of water, the concentration of Radono-222 decreased satisfactorily and remained below the expected value by the natural decaying of the water.

Mais de 50% da dose de radiação efetiva anual recebida por um ser humano está relacionada com o Radônio e seus produtos. Os principasis mecanismos que levam o Radônio no interior das residências são a emanação do solo e a liberação do Radônio na água. Esse trabalho apresenta uma proposta de mitigação, método para redução de Radônio-222 em níveis de água de poço, utilizando o processo de aeração da água e medidas da concentração de Radônio -222 nas águas e solo. As amostras foram coletadas em poço e solo na região do Pinheirinho em Curitiba, Brasil. As medidas foram realizadas durante o período de Fevereiro a Junho de 2011, sendo analisadas em média dez amostras de cada coleta de água, entre elas oito sob o processo de aeração. As medidas foram obtidas com a câmara de ionização Radon Professional Monitor (AlfaGUARD), aparelho que verifica a concentração de Radônio na faixa de 2 - 2x106 Bq/L, ajustado em um fluxo de 0,5L/min, em um tempo aproximado de 60 minutos, no Laboratório de Radiações Ionizantes da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Os níveis de concentração de Radônio-222 foram medidos através do software AlfaEXPERT, e formulações adequadas caracterizaram a concentração desse gás em água corrigindo o tempo de decaimento devido ao atraso da coleta das amostras em relação às medições. O método de mitigação utilizado foi o de aeração, chamado Aeração Difusora, na qual ocorre a gaseificação da água em um processo de injeção de ar por um aerador conectado em uma placa porosa durante um período de 24 horas em 4 dias, já que a meia-vida do Radônio é cerca de 3,82 dias, para a diminuição da concentração de Radônio-222 nas amostras. Inicialmente as amostras apresentaram concentrações de Radônio-222 de aproximadamente 20 Bq/L, nível acima de 11,11 Bq/L recomendado pela USEPA (Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos). Após aplicar a medida de mitigação nessas amostras de água, as concentrações de Radônio-222 diminuíram satisfatoriamente e ficaram abaixo do valor esperado pelo decaimento natural do gás. / More than 50% of the effective annual radiation dose received by a human being is related to the Radon and its progeny. Among main mechanisms that bring Radon inside the dwelling are the soil emanation and radon release from the water. This present work represents a proposal of mitigation, method to reduce Radon-222 levels in well water, using the process of water aeration and measurements of Radon-222 in the water and soil. Samples were collected in a pit and soil in the region of "Pinheirinho" in the city of "Curitiba" Brazil. The Measurements were taken during the period of February till June of 2011, being analyzed by an average of ten samples of each water collected, among them eight were under the process of aeration. The measurements were obtained with ionization chamber Randon Professional Monitor (AlfaGUARD), a device that checks concentrations of Radon in the range of 2-2x106 Bq/L, adjusted in a flow of 0.5L/min, with approximate time of 60 minutes, in the laboratory for Ionizing Radiation of the Univeristy " Federal do Parana" (UTFPR). The levels of concentration of Radon-222 were measured by the software called AlfaEXPERT, and suitable formulations characterized the concentration of this gas in the water by correcting the time decay due to the delay in the collection of samples for measurements. The method of mitigation used was aeration, called Diffusing Aeration, in which there is the gasification of water in a process that injects air by an aerator connected in a porous plate during a period of 24 hours in 4 days, since the half life of Radon is approximately 3,82 days, for the reduction of the concentration of Radon-222 on samples. Initially samples had concentrations of Radon-222 aproximately from 20 Bq/L, a level above 11.11 Bq/L recomended by USEPA (United States Enviromental Protection Agency). After Applying the measurements to mitigate these samples of water, the concentration of Radono-222 decreased satisfactorily and remained below the expected value by the natural decaying of the water.

O desenvolvimento das culturas pode ser afetado por combinações de estresses físicos, químicos e biológicos. Na ausência de outras limitações, os fatores físicos do solo que afetam diretamente o crescimento radicular são a resistência mecânica, a aeração e a disponibilidade hídrica. O objetivo deste trabalho foi incluir os fatores físicos do solo na modelagem do crescimento radicular de soja e de milho. As condições físicas dos solos foram modeladas com o fluxo de água em 1D e o crescimento radicular em 3D por meio da inclusão de um parâmetro de redução do estresse para o alongamento radicular. Soja e milho foram cultivados em quatro níveis de compactação em um Latossolo Vermelho. O modelo foi validado com dados de campo de conteúdo volumétrico de água, resistência do solo à penetração e densidade de comprimento radicular de soja e de milho cultivadas em diferentes níveis de compactação e condições hídricas. A taxa de alongamento radicular foi reduzida exponencialmente em função do aumento da resistência do solo à penetração, e linearmente em relação ao decrescimento da aeração ou da disponibilidade hídrica. A produtividade de grãos de soja e milho foi reduzida em função da escarificação do solo ou tráfego intenso de colhedora no Latossolo Vermelho. As densidades de comprimento radicular simulados concordaram com os valores medidos no campo. As condições físicas de resistência mecânica, hipoxia e estresse hídrico foram eficientemente incorporadas por meio do parâmetro de redução do estresse ao alongamento radicular, e podem ser usadas para avanços nos estudos de interações solo-raiz. / Crop development is affected due soil physical, chemical, and biological conditions. In the absence of others limitations, the soil physical factors that affect directly root growth are mechanical impedance, aeration and water stress. The aim of this work was to include soil physical limitations into the root growth model of soybean and maize crops. Soil physical conditions was modelling with water flux in one-dimensional and root growth in three-dimensional by stress reduction function for root elongation. Soybean and maize crops was cultivate in four soil compaction levels in a Rhodic Eutrudox. The model was validate with field data of soil water content, soil penetration resistance, and root length density of soybean and maize cropping in four soil compaction levels and two weather conditions. Root elongation rate was reduced exponentially as a function of soil penetration resistance, and linearly in relation to soil aeration or water stress. Soybean and maize grain yield was reduced due to soil chiselling and intense harvester traffic in a Rhodic Eutrudox. Soybean and maize root length density modelling agreed to field measurement. Soil physical conditions of mechanical impedance, hypoxia and water stress was successful incorporated into the root growth model by stress reduction function to root elongation, and its can be used for advances in soil-root interaction research.

Mikrobielle Hotspots zeichnen sich durch erhöhte mikrobielle Biomasse und Aktivität im Vergleich zum Gesamtboden aus. Sie umfassen nur einen sehr kleinen Teil des Bodenvolumens, indem jedoch die meisten für Stoffkreisläufe relevanten mikrobiellen biogeochemischen Prozesse ablaufen. In mikrobielle Hotspots sind Prozessraten erhöht, wie beispielsweise verkürzte Umsatzzeiten der organischen Substanz und eine erhöhte Nährstoffmobilisierung im Vergleich zum Gesamtboden. Eine verbesserte Verfügbarkeit von niedermolekularen organischen Substanzen im Vergleich zum Gesamtboden stimuliert das Wachstum und die Aktivität von Bodenmikroorganismen. Mikrobielle Hotspots entstehen in Bodenkompartimenten, die durch Rhizodeposition, den Eintrag von Wurzelstreu, den Eintrag von nährstoffreichem Material von der Bodenfauna und die Auswaschung von organischen Verbindungen aus dem Oberboden einen erhöhten Substrateintrag aufweisen. Im Boden stellen die Rhizosphäre sowie Bioporen wichtige mikrobielle Hotspots dar. Speziell im nährstoffarmen Unterboden sind mikrobielle Hotspots wichtig, da die Nährstoffe in den Hotspots im Vergleich zum Gesamtboden für Pflanzen besser verfügbar sind. Im Rahmen dieser Dissertation wurden 1) mikrobielle Hotspots anhand molekularer Proxies unterschieden; und 2) das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung von mikrobiellen Hotspots im Unterboden untersucht; darüber hinaus wurde 3) die mikrobielle Umsetzung des wurzelbürtigen Kohlenstoffs entlag eines Teifengradienten bis in 105 cm Tiefe bestimmt; und 4) die räumliche Ausdehnung der mikrobiellen Hotspots im Ober- und Unterboden anhand der Verteilung und anhand des Umsatzes von wurzelbürtigem Kohlenstoff, sowie anhand von sich ausbildenden pH, Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten von der Wurzeloberfläche in den Gesamtboden bestimmt. Im Rahmen eines Feldexperimentes wurde Luzerne (Medicago sativa L.) zwei Jahre lang auf einem Haplic Luvisol angebaut. Drilsophäre, Rhizosphäre und der Gesamtboden wurden in 15 cm Intervallen bis in eine Tiefe von 105 cm beprobt, um mikrobielle Hotspots anhand von molekularen Proxies zur unterscheiden. Die Proben wurden auf ihre Gehalte an freien extrahierbaren Fettsäuren untersucht. Dafür wurden aus dem Gesamtlipidextrakt die Fettsäuren durch Festphasenextraktion abgetrennt. Die Differenzierung des organischen Materials aus der Drilosphäre, der Rhizosphäre und dem Gesamtboden wurde mittels einer linearen Diskriminanzanalyse durchgeführt. Desweiteren wurde auf der Versuchsfläche neben Luzerne auch Wegwarte (Cichorium intybus L.) angebaut. Um den Kohlenstoffeintrag von Luzerne und Wegwarte in den Boden entlag eines Tiefengradientens zu vergleichen, wurden je drei Luzerne und drei Wegwarteparzellen nach 110 Tage Wachstum in situ mittels 13CO2 pulsmarkiert. Die Verteilung des assimilierten 13C in Spross, Wurzeln und Bodenkohlenstoffpools sowie die Bestimmungen der jeweiligen Kohlenstoffpoolgrößen ermöglichte es, den Kohlenstoffeintrag bis in eine Bodentiefe von 105 cm zu quantifizieren. In einer Laborstudie wurde die räumliche Ausdehnung mikrobieller Hotspots untersucht. Zu diesem Zweck wurde Luzerne in T-förmigen Gefäßen mit drei Kompartimenten zwei Monate lang kultiviert. Die Gefäße waren entweder mit Ober- oder Unterboden gefüllt. Die Wurzeln konnten nur im mittleren Teil der Gefäße wachsen, da eine Nylongaze sie daran hinderte in die seitlichen Rhizosphärenkompartimente vorzudringen. Unterschiedliche Maschenweiten der Gaze verhinderten entweder nur das Wurzelwachstum oder sowohl das Wurzelwachstum als auch das Eindringen der Hyphen von arbuskulären Mykorrhizapilzen in die Rhizosphärenkompartimente. Die Dynamik und Verteilung von wurzelbürtigem Kohlenstoff in der Rhizosphäre, wurde durch die Markierung der Luzerne mit 14CO2 und anschließende Messung der 14C-Aktivität im gelösten organischen Kohlenstoff und im gesamten organischen Kohlenstoff ermittelt. Um Unterschiede im mikrobiellen Abbau der abgegebenen Substanzen in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre zu bestimmen, wurden die Aktivitäten extrazellulärer Enzyme gemessen. Zur Messung von Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten bei unterschiedlichem Matrixpotenzial in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre wurden ein Sauerstoffmikrosensor und Platinelektroden verwendet. Während die relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren von Drilosphäre, über Rhizosphäre bis zum Gesamtboden abnahmen, verhielten sich die Dicarbonfettsäuren genau umgekehrt. Da diese Unterschiede unabhängig von der Bodentiefe waren, konnten diese Proxies zur Unterscheidung der Herkunft des organischen Materials verwendet werden. Mittels einer linearen Diskriminanzanalyse konnte so das organsiche Material mikrobieller Hotspots von dem des Gesamtbodens durch eine lineare Kombination der relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren und Dicarbonsäuren unterschieden werden. Die unterschiedlichen Quellen des organischen Materials und dessen intensive mikrobielle Überformung veranschaulichen die Komplexität der Prozessse, die zur Entstehung von mikrobiellen Hotspots beitragen. Um diese Prozesse zu untersuchen, wurde das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung mikrobieller Hotspots im Unterboden analysiert. Dafür wurde der Kohlenstoffeintrag über die Wurzelbiomasse und durch Rhizodeposition sowie die mikrobielle Aufnahme bis in eine Tiefe von 105 cm quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausbildung mikrobieller Hotspots im Unterboden während der ersten Vegetationsperiode durch Luzerne stärker ist als durch Wegwarte. Die Gründe hierfür waren: 1) Ein höherer Biomassezuwachs von Luzerne und 2) eine 8 fach höherere Verlagerung des assimilierten Kohlenstoffs in das Wurzelwachstum sowie in Rhizodeposite im Unterboden durch Luzerne. Unter Luzerne wurde durch den erhöhten Eintrag von leichtverfügbarem Kohlenstoff das mikrobielle Wachstum und der Umsatz an mikrobiellem C im Unterboden erhöht. Dies weist auf höhere Nährstoffumsatzraten und damit auf deren höhere Pflanzenverfügbarkeit hin. Das könnte zu einer verbesserten Nährstoffversorgung der Hauptfrüchte beitragen, wenn deren Wurzeln durch die ehemaligen Luzernewurzelporen im Unterboden wachsen. Im Gegensatz zur Luzerne bildete die Wegwarte den größten Teil ihrer Wurzelbiomasse im Oberboden aus wohin sie auch den größten Teil ihrer Rhizodeposite exsudierte. Aus diesem Grund ist die Wegwarte zumindest in der ersten Vegetationsperiode nicht als Vorfrucht zu empfehlen, um die Nährstoffverfügbarkeit im Unterboden zu verbessern. Um die Relevanz von mikrobiellen Hotspots für Nährstoffkreisläufe besser zu verstehen, ist es notwendig die Ausdehnung des Bodenvolumens mit erhöhten Prozessraten und die Gradienten mit denen diese Prozessraten zum Gesamtboden hin abnehmen zu untersuchen. Dies ermöglichte das oben beschriebene Experiment, bei dem Luzerne in den kompartimentierten Wachstumsgefäßen angezogen wurde. Hierbei zeigte sich, dass die Wurzelexsudation in die Oberbodenrhizosphäre verglichen mit der Exsudation in die Unterbodenrhizosphäre deutlich höher war. Allerdings waren die Gradienten der 14C markierten Wurzelexsudate im gelösten organischen Kohlenstoff von der Wurzeloberfläche in Richtung Gesamtboden steiler als im Unterboden. Da zusätzlich zu dem erhöhten Eintrag und den steileren Gradienten auch die Enzymaktivitäten im Oberboden höher waren, kann von einem erhöhtem mikrobiellem Abbau der Wurzelexsudate im Vergleich zur Unterbodenrhizosphäre ausgegeangen werden. Obwohl erwartet wurde, dass erhöhter mikrobieller Abbau zu einer geringeren diffusiven Ausdehnung der Wurzelexsudate in der Oberbodenrhizosphäre führen würde, war dies nicht der Fall. Sowohl in der Oberboden- als auch in der Unterbodenrhizosphäre wurde 14C aus Exsudaten bis in eine Entfernung von 28 mm im DOC und 20 mm im TOC zur Wurzeloberfläche nachgewiesen. Die Sauerstoffkonzentration nahm in Richtung zur Wurzeloberfläche ab, wobei der Gradient in Ober- und Unterbodenrhizosphäre identisch war. Ein Rhizosphäreneffekt auf die Sauerstoffkonzentration konnte bis in 20 mm Entfernung zur Wurzeloberfläche gemessen werden. Das Matrixpotenzial war ausschlaggebend für die diffusive Nachlieferung von Sauerstoff, und damit für die Aufrechterhaltung der aeroben Respiration in der Rhizosphäre. Bei einem Matrixpotenzial von -200 hPa oder weniger fand keine Hemmung der Respirationsprozesse durch mangelnde O2 Nachlieferung zur Wurzeloberfläche statt. Die auf der Sauerstoffkonzentration beruhenden Veränderungen des Redoxpotentials konnten bis in eine Entfernung von 2 mm zur Wurzeloberfläche erfasst werden. Nur unter ständiger Wassersättigung wurden in der Rhizosphäre schwach reduzierende Bedingungen erreicht. Im Rahmen dieses Dissertation konnte gezeigt werden, dass mikrobielle Hotspots im Boden eine größere laterale Ausdehnung erreichen als bislang angenommen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass diese Hotspots eine Schlüsselfunktion bei der Erhöhung von Kohlenstoff- und Nährstoffumsätzen besitzen. Daher empfiehlt sich der Anbau von tiefwurzelnden Vorfrüchten mit ausgeprägter C-Verlagerung in den Unterboden, wie beispielsweise Luzerne, um die Nährstoffverfügbarkeit aus dem Unterboden in Agrarökosystemen zu verbessern.

O objetivo deste trabalho foi verificar os efeitos de práticas de descompactação em propriedades físicas de um Latossolo Vermelho distrófico, textura argilosa, após dezesseis anos em sistema plantio direto. Os tratamentos, aplicados em maio de 2009, consistiram de: plantio direto (PD), plantio direto com escarificação mecânica feita por subsolagem a 0,25 m (PD-E) e plantio direto com escarificação biológica por meio da cultura do nabo forrageiro (PD-B). O delineamento experimental foi em blocos ao acaso, com quatro repetições, perfazendo 12 unidades experimentais. Dezoito meses após a aplicação dos tratamentos, foram coletadas amostras indeformadas de solo em cada unidade experimental, em cinco profundidades: 0,0-0,10; 0,10-0,20; 0,20-0,30; 0,30-0,40 e 0,40-0,50 m. Foram avaliados as propriedades físicas porosidade, densidade do solo (Ds), permeabilidade ao ar (Ka) e índices de continuidade de poros.. A Ka foi medida através de um permeâmetro de carga constante de ar em nove potenciais mátricos (m): -0,5; -1; -2; -3; -5; -7; -10; -50 e -100 kPa. Os resultados indicaram que as propriedades físicas do solo avaliadas não foram alteradas pelos tratamentos de descompactação do solo. Por outro lado, houve diferenças entre camadas de solo, principalmente entre 0,0-0,10 m e 0,10-0,20 m. Na camada de 0,10-0,20 m, a Ds foi maior e a porosidade total e Ka (m = -5 kPa) foram menores do que na camada de 0,0-0,10 m. No tratamento PD-E verificou-se que a macroporosidade foi maior na camada de 0-0,10 m comparado com os outros tratamentos. Os índices de continuidade de poros K1 e N não foram influenciados pelos tratamentos. Os resultados sugerem que, no solo estudado, o efeito da escarificação é de limitada persistência. / This study aimed to evaluate the effects of decompaction practices on physical properties of Typic Hapludox, clayey texture, after 16 years under no-tillage. The treatments, applied in May 2009, consisted of the following: no-tillage (PD), no-tillage mechanically chiseled at 0.25 m depth (PD-E), and no-tillage biologically loosened with radish crop (PD-B). The experiment was randomized block design, with four replicates, totaling 12 experimental units. Eighteen months after the treatment application, undisturbed soil samples were collected from each experimental unit at five depths: 0.0-0.10; 0.10-0.20; 0.20-0.30; 0.30-0.40; and 0.40-0.50 m. We assessed the following soil physical properties: porosity, bulk density (Bd), air permeability (Ka) and pore continuity indices. Ka was measured using a constant head air permeameter in nine soil matric potentials (m): -0.5, -1, -2, -3, -5, -7, -10, -50, and -100 kPa. The results indicated that the soil physical properties measured were unaltered by the soil decompaction treatments. In contrast, there were differences between soil layers, especially between 0.0-0.10 m and 0.10-0.20 m. At the 0.10-0.20 m depth layer, Bd was higher, whereas total porosity and Ka (m = -5 kPa) were lower than the 0.0-0.10 m depth layer. In the treatment PD-E, macroporosity was higher in the 0-0.10 m layer depth compared with the other treatments. The pore continuity indices were not influenced by the treatments. These results suggest that, in the soil studied, the effect of chiseling is limited.

O objetivo deste trabalho foi verificar os efeitos de práticas de descompactação em propriedades físicas de um Latossolo Vermelho distrófico, textura argilosa, após dezesseis anos em sistema plantio direto. Os tratamentos, aplicados em maio de 2009, consistiram de: plantio direto (PD), plantio direto com escarificação mecânica feita por subsolagem a 0,25 m (PD-E) e plantio direto com escarificação biológica por meio da cultura do nabo forrageiro (PD-B). O delineamento experimental foi em blocos ao acaso, com quatro repetições, perfazendo 12 unidades experimentais. Dezoito meses após a aplicação dos tratamentos, foram coletadas amostras indeformadas de solo em cada unidade experimental, em cinco profundidades: 0,0-0,10; 0,10-0,20; 0,20-0,30; 0,30-0,40 e 0,40-0,50 m. Foram avaliados as propriedades físicas porosidade, densidade do solo (Ds), permeabilidade ao ar (Ka) e índices de continuidade de poros.. A Ka foi medida através de um permeâmetro de carga constante de ar em nove potenciais mátricos (m): -0,5; -1; -2; -3; -5; -7; -10; -50 e -100 kPa. Os resultados indicaram que as propriedades físicas do solo avaliadas não foram alteradas pelos tratamentos de descompactação do solo. Por outro lado, houve diferenças entre camadas de solo, principalmente entre 0,0-0,10 m e 0,10-0,20 m. Na camada de 0,10-0,20 m, a Ds foi maior e a porosidade total e Ka (m = -5 kPa) foram menores do que na camada de 0,0-0,10 m. No tratamento PD-E verificou-se que a macroporosidade foi maior na camada de 0-0,10 m comparado com os outros tratamentos. Os índices de continuidade de poros K1 e N não foram influenciados pelos tratamentos. Os resultados sugerem que, no solo estudado, o efeito da escarificação é de limitada persistência. / This study aimed to evaluate the effects of decompaction practices on physical properties of Typic Hapludox, clayey texture, after 16 years under no-tillage. The treatments, applied in May 2009, consisted of the following: no-tillage (PD), no-tillage mechanically chiseled at 0.25 m depth (PD-E), and no-tillage biologically loosened with radish crop (PD-B). The experiment was randomized block design, with four replicates, totaling 12 experimental units. Eighteen months after the treatment application, undisturbed soil samples were collected from each experimental unit at five depths: 0.0-0.10; 0.10-0.20; 0.20-0.30; 0.30-0.40; and 0.40-0.50 m. We assessed the following soil physical properties: porosity, bulk density (Bd), air permeability (Ka) and pore continuity indices. Ka was measured using a constant head air permeameter in nine soil matric potentials (m): -0.5, -1, -2, -3, -5, -7, -10, -50, and -100 kPa. The results indicated that the soil physical properties measured were unaltered by the soil decompaction treatments. In contrast, there were differences between soil layers, especially between 0.0-0.10 m and 0.10-0.20 m. At the 0.10-0.20 m depth layer, Bd was higher, whereas total porosity and Ka (m = -5 kPa) were lower than the 0.0-0.10 m depth layer. In the treatment PD-E, macroporosity was higher in the 0-0.10 m layer depth compared with the other treatments. The pore continuity indices were not influenced by the treatments. These results suggest that, in the soil studied, the effect of chiseling is limited.