Globally, increasing demands for biofuels have intensified the rate of land-use change (LUC) for expansion of bioenergy crops. In Brazil, the world\'s largest sugarcane-ethanol producer, sugarcane area has expanded by 35% (3.2 Mha) in the last decade. Sugarcane expansion has resulted in extensive pastures being subjected to intensive mechanization and large inputs of agrochemicals, which have direct implications on soil quality (SQ). We hypothesized that LUC to support sugarcane expansion leads to overall SQ degradation. To test this hypothesis we conducted a field-study at three sites in the central-southern region, to assess the SQ response to the primary LUC sequence (i.e., native vegetation to pasture to sugarcane) associated to sugarcane expansion in Brazil. At each land use site undisturbed and disturbed soil samples were collected from the 0-10, 10-20 and 20-30 cm depths. Soil chemical and physical attributes were measured through on-farm and laboratory analyses. A dataset of soil biological attributes was also included in this study. Initially, the LUC effects on each individual soil indicator were quantified. Afterward, the LUC effects on overall SQ were assessed using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). Furthermore, six SQ indexes (SQI) were developed using approaches with increasing complexity. Our results showed that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture led to soil acidification, significant depletion of soil organic carbon (SOC) and macronutrients [especially phosphorus (P)] and severe soil compaction, which creates an unbalanced ratio between water- and air-filled pore space within the soil and increases mechanical resistance to root growth. Conversion from pasture to sugarcane improved soil chemical quality by correcting for acidity and increasing macronutrient levels. Despite those improvements, most of the P added by fertilizer accumulated in less plant-available P forms, confirming the key role of organic P has in providing available P to plants in Brazilian soils. Long-term sugarcane production subsequently led to further SOC depletions. Sugarcane production had slight negative impacts on soil physical attributes compared to pasture land. Although tillage performed for sugarcane planting and replanting alleviates soil compaction, our data suggested that the effects are short-term with persistent, reoccurring soil consolidation that increases erosion risk over time. These soil physical changes, induced by LUC, were detected by quantitative soil physical properties as well as by visual evaluation of soil structure (VESS), an on-farm and user-friendly method for evaluating SQ. The SMAF efficiently detected overall SQ response to LUC and it could be reliably used under Brazilian soil conditions. Furthermore, since all of the SQI values developed in this study were able to rank SQ among land uses. We recommend that simpler and more cost-effective SQI strategies using a small number of carefully chosen soil indicators, such as: pH, P, K, VESS and SOC, and proportional weighting within of each soil sectors (chemical, physical and biological) be used as a protocol for SQ assessments in Brazilian sugarcane areas. The SMAF and SQI scores suggested that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture depleted overall SQ, driven by decreases in chemical, physical and biological indicators. In contrast, conversion from pasture to sugarcane had no negative impacts on overall SQ, mainly because chemical improvements offset negative impacts on biological and physical indicators. Therefore, our findings can be used as scientific base by farmers, extension agents and public policy makers to adopt and develop management strategies that sustain and/or improving SQ and the sustainability of sugarcane production in Brazil. / Globalmente, o aumento da demanda de biocombustíveis têm intensificado a taxa de mudança de uso da terra (MUT) para expansão da produção de culturas para fins energéticos. No Brasil, a área de cana-de-açúcar aumentou 35% (3,2 Mha) na última década. A expansão do cultivo de cana-de-açúcar tem resultado em pastagens extensivas sendo submetidas a intensiva mecanização e ao uso de agroquímicos, implicando diretamente na qualidade do solo (QS). A hipótese testada nesse estudo foi que a MUT resulta na degradação da QS. Para tanto foi conduzido um estudo em três locais na região centro-sul, com objetivo de avaliar as modificações na QS devido a principal sequência de MUT (vegetação nativa - pastagem - cana-de-açúcar) associada a expansão do cultivo de cana-de-açúcar no Brasil. Em cada uso da terra, amostras indeformadas e deformadas de solo foram coletadas nas profundidades de 0- 10, 10-20 e 20-30 cm. Os atributos químicos e físicos do solo foram mensurados através de análises laboratoriais e à campo. Dados de atributos biológicos também foram incluídos no estudo. Inicialmente, os efeitos da MUT foram quantificados individualmente para cada um dos atributos do solo, e em seguida as alterações na QS global foram avaliadas através da Soil Management Assessment Framework (SMAF) e de seis índices de QS (IQS), desenvolvidos usando métodos com complexidade crescente. Os resultados demonstraram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva resultou na acidificação do solo, redução dos teores de carbono orgânico (COS) e macronutrientes (especialmente P), e severa compactação do solo, desequilibrando a relação entre ar e água e aumentando a resistência mecânica do solo ao crescimento radicular. Conversão da pastagem em cana-de-açúcar melhorou a qualidade química do solo através da correção da acidez e aumento dos macronutrientes. Apesar dessas melhorias, prolongado período de cultivo de cana-de-açúcar reduziu os teores de COS; e a maioria do P adicionado via fertilizantes acumulou em formas menos lábeis, confirmando o importante papel do P orgânico no fornecimento de P disponível às plantas em solos brasileiros. O cultivo de cana-de-açúcar teve impactos negativos nos atributos físicos do solo menos intensos do que aqueles gerados pelo uso com pastagem. Embora o preparo do solo para plantio e reforma da cana-de-açúcar reduziu a compactação do solo, os dados sugeriram que estes efeitos são de curta duração, ocorrendo a reconsolidação do solo e o aumento dos riscos de erosão ao longo do tempo. As alterações físicas do solo induzidas pela MUT foram detectadas tanto por meio de atributos quantitativos quanto por meio de avaliação visual da estrutura do solo (VESS), um método simples e diretamente aplicado no campo. A SMAF detectou eficientemente as alterações na QS devido a MUT. Além disso, todos os IQS desenvolvidos permitiram ranquear corretamente a QS entre os usos da terra. Assim, recomendamos que IQS mais simples e com melhor relação custo-benefício usando poucos indicadores chaves, tais como: pH, P, K, VESS e COS com ponderação proporcional entre os setores do solo (químico, físico e biológico) sejam usados como protocolo para avaliar a QS nas áreas de produção de cana-de-açúcar. Os resultados obtidos usando a SMAF e os IQS sugeriram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva reduziu a QS, degradando indicadores químicos, físicos e biológicos. Por outro lado, a conversão de pastagem em cana-de-açúcar não teve impactos na QS global, uma vez que a melhoria dos atributos químicos compensou os impactos negativos nos indicatores físicos e biológicos. Desta forma, esses resultados poderão ser utilizados como base científica pelos produtores, extencionistas e políticos para orientar estratégias de manejo que mantenham e/ou melhorem a QS e consequentemente a sustentabilidade da produção de cana-de-açúcar no Brasil.

Globally, increasing demands for biofuels have intensified the rate of land-use change (LUC) for expansion of bioenergy crops. In Brazil, the world\'s largest sugarcane-ethanol producer, sugarcane area has expanded by 35% (3.2 Mha) in the last decade. Sugarcane expansion has resulted in extensive pastures being subjected to intensive mechanization and large inputs of agrochemicals, which have direct implications on soil quality (SQ). We hypothesized that LUC to support sugarcane expansion leads to overall SQ degradation. To test this hypothesis we conducted a field-study at three sites in the central-southern region, to assess the SQ response to the primary LUC sequence (i.e., native vegetation to pasture to sugarcane) associated to sugarcane expansion in Brazil. At each land use site undisturbed and disturbed soil samples were collected from the 0-10, 10-20 and 20-30 cm depths. Soil chemical and physical attributes were measured through on-farm and laboratory analyses. A dataset of soil biological attributes was also included in this study. Initially, the LUC effects on each individual soil indicator were quantified. Afterward, the LUC effects on overall SQ were assessed using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). Furthermore, six SQ indexes (SQI) were developed using approaches with increasing complexity. Our results showed that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture led to soil acidification, significant depletion of soil organic carbon (SOC) and macronutrients [especially phosphorus (P)] and severe soil compaction, which creates an unbalanced ratio between water- and air-filled pore space within the soil and increases mechanical resistance to root growth. Conversion from pasture to sugarcane improved soil chemical quality by correcting for acidity and increasing macronutrient levels. Despite those improvements, most of the P added by fertilizer accumulated in less plant-available P forms, confirming the key role of organic P has in providing available P to plants in Brazilian soils. Long-term sugarcane production subsequently led to further SOC depletions. Sugarcane production had slight negative impacts on soil physical attributes compared to pasture land. Although tillage performed for sugarcane planting and replanting alleviates soil compaction, our data suggested that the effects are short-term with persistent, reoccurring soil consolidation that increases erosion risk over time. These soil physical changes, induced by LUC, were detected by quantitative soil physical properties as well as by visual evaluation of soil structure (VESS), an on-farm and user-friendly method for evaluating SQ. The SMAF efficiently detected overall SQ response to LUC and it could be reliably used under Brazilian soil conditions. Furthermore, since all of the SQI values developed in this study were able to rank SQ among land uses. We recommend that simpler and more cost-effective SQI strategies using a small number of carefully chosen soil indicators, such as: pH, P, K, VESS and SOC, and proportional weighting within of each soil sectors (chemical, physical and biological) be used as a protocol for SQ assessments in Brazilian sugarcane areas. The SMAF and SQI scores suggested that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture depleted overall SQ, driven by decreases in chemical, physical and biological indicators. In contrast, conversion from pasture to sugarcane had no negative impacts on overall SQ, mainly because chemical improvements offset negative impacts on biological and physical indicators. Therefore, our findings can be used as scientific base by farmers, extension agents and public policy makers to adopt and develop management strategies that sustain and/or improving SQ and the sustainability of sugarcane production in Brazil. / Globalmente, o aumento da demanda de biocombustíveis têm intensificado a taxa de mudança de uso da terra (MUT) para expansão da produção de culturas para fins energéticos. No Brasil, a área de cana-de-açúcar aumentou 35% (3,2 Mha) na última década. A expansão do cultivo de cana-de-açúcar tem resultado em pastagens extensivas sendo submetidas a intensiva mecanização e ao uso de agroquímicos, implicando diretamente na qualidade do solo (QS). A hipótese testada nesse estudo foi que a MUT resulta na degradação da QS. Para tanto foi conduzido um estudo em três locais na região centro-sul, com objetivo de avaliar as modificações na QS devido a principal sequência de MUT (vegetação nativa - pastagem - cana-de-açúcar) associada a expansão do cultivo de cana-de-açúcar no Brasil. Em cada uso da terra, amostras indeformadas e deformadas de solo foram coletadas nas profundidades de 0- 10, 10-20 e 20-30 cm. Os atributos químicos e físicos do solo foram mensurados através de análises laboratoriais e à campo. Dados de atributos biológicos também foram incluídos no estudo. Inicialmente, os efeitos da MUT foram quantificados individualmente para cada um dos atributos do solo, e em seguida as alterações na QS global foram avaliadas através da Soil Management Assessment Framework (SMAF) e de seis índices de QS (IQS), desenvolvidos usando métodos com complexidade crescente. Os resultados demonstraram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva resultou na acidificação do solo, redução dos teores de carbono orgânico (COS) e macronutrientes (especialmente P), e severa compactação do solo, desequilibrando a relação entre ar e água e aumentando a resistência mecânica do solo ao crescimento radicular. Conversão da pastagem em cana-de-açúcar melhorou a qualidade química do solo através da correção da acidez e aumento dos macronutrientes. Apesar dessas melhorias, prolongado período de cultivo de cana-de-açúcar reduziu os teores de COS; e a maioria do P adicionado via fertilizantes acumulou em formas menos lábeis, confirmando o importante papel do P orgânico no fornecimento de P disponível às plantas em solos brasileiros. O cultivo de cana-de-açúcar teve impactos negativos nos atributos físicos do solo menos intensos do que aqueles gerados pelo uso com pastagem. Embora o preparo do solo para plantio e reforma da cana-de-açúcar reduziu a compactação do solo, os dados sugeriram que estes efeitos são de curta duração, ocorrendo a reconsolidação do solo e o aumento dos riscos de erosão ao longo do tempo. As alterações físicas do solo induzidas pela MUT foram detectadas tanto por meio de atributos quantitativos quanto por meio de avaliação visual da estrutura do solo (VESS), um método simples e diretamente aplicado no campo. A SMAF detectou eficientemente as alterações na QS devido a MUT. Além disso, todos os IQS desenvolvidos permitiram ranquear corretamente a QS entre os usos da terra. Assim, recomendamos que IQS mais simples e com melhor relação custo-benefício usando poucos indicadores chaves, tais como: pH, P, K, VESS e COS com ponderação proporcional entre os setores do solo (químico, físico e biológico) sejam usados como protocolo para avaliar a QS nas áreas de produção de cana-de-açúcar. Os resultados obtidos usando a SMAF e os IQS sugeriram que a conversão da vegetação nativa em pastagem extensiva reduziu a QS, degradando indicadores químicos, físicos e biológicos. Por outro lado, a conversão de pastagem em cana-de-açúcar não teve impactos na QS global, uma vez que a melhoria dos atributos químicos compensou os impactos negativos nos indicatores físicos e biológicos. Desta forma, esses resultados poderão ser utilizados como base científica pelos produtores, extencionistas e políticos para orientar estratégias de manejo que mantenham e/ou melhorem a QS e consequentemente a sustentabilidade da produção de cana-de-açúcar no Brasil.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The soybean average productivity in Rio Grande do Sul presents great oscillations which are attributed to climatic adversities. The productivity can also be afected by soil fertility limitations, specially acidity and P deficiency in subsurface, and by physical limitations to roots growth. This work was carried out to evaluate the soil fertility in areas under consolidated no-tillage, in soybean producing regions of Rio Grande do Sul. The diagnosis was carried out during the agricultural year 2004/05, in twenty soybean farmings under notillage with more than five years. We collected 140 soil samples in three layers (0-10, 10-20 and 20-30 cm) and mesearued water pH, phosphorus, potassium, calcium, magnesium and aluminum. We calculate the exchangeable bases,, efetive CEC, CEC7, H+Al and the saturation for bases and for aluminum. In each point of collection soil samples was made analysis of soil resistance to the penetration and water soil content. Only 50% soil samples in surface layer (0-10 cm) and 8% in deeper layers do not showed chemical limitations as standards established for the Chemical and Fertility Soil Comission. Around 32% soil samples in surface layer and 77% in deeper layers showed low P availability. Additionally, 40% soil samples in subsurface showed low P and K availability, and only 50% no have acidity limitations. The soil compactation is a general problem in all soybean farmings. / O Rio Grande do Sul apresenta oscilações na produtividade média da soja, as quais, são atribuídas às adversidades climáticas, porém, também pode ser devido às limitações na fertilidade do solo, com destaque para a acidez e deficiência de fósforo em subsuperfície, agravadas pela presença de camadas compactadas, que dificultam o aprofundamento radicular. Este trabalho foi realizado com o objetivo de diagnosticar a situação da fertilidade do solo em áreas conduzidas sob plantio direto consolidado, em regiões produtoras de soja do Rio Grande do Sul. O diagnóstico foi realizado durante o ano agrícola 2004/05, em 20 lavouras conduzidas sob plantio direto há mais de cinco anos. Foram amostrados 140 pontos de coleta, nas camadas 0-10, 10-20 e 20-30 cm de profundidade e determinados o pH em água, fósforo, potássio, cálcio, magnésio e alumínio e calculadas a soma de bases, CTC efetiva, CTC7, H+Al e a saturação por bases e por alumínio. Em cada ponto de coleta foi realizada a análise de resistência do solo à penetração e de umidade. Os resultados obtidos mostraram que somente 50% de amostras de solo na camada superficial (0-10 cm) e 8% nas camadas mais profundas não apresentam limitações químicas conforme padrões estabelecidos pela Comissão de Química e Fertilidade do Solo. Em torno de 30% das amostras na camada superficial e 77% nas camadas mais profundas apresentam baixa disponibilidade de P. Adicionalmente, 40% das amostras nas camadas subsuperficiais possuem P e K abaixo do nível de suficiência e somente 50% delas não apresentam problemas de acidez. Todos os locais amostrados apresentam tendência à compactação.

Os órgãos de monitoramento ambiental necessitam de indicadores de referência para a avaliação continuada dos impactos ambientais. Indicadores são obtidos por meio da comparação dos teores totais de elementos tóxicos de um solo com valores determinados em condições naturais (não poluídos) ou com valores de referência. No Brasil, com a crescente demanda social pela melhoria e manutenção da qualidade ambiental, alguns estudos foram realizados com o objetivo de estabelecer valores orientadores para metais pesados em solos. Estes são valores préestabelecidos quanto à presença de substâncias químicas que possibilitam a verificação de possível contaminação. A legislação brasileira estabelece três valores orientadores: Valores de Referência de Qualidade (VRQs), de Prevenção (VP) e de Investigação (VI). O VRQ indica o limite de qualidade para um solo considerado limpo a ser utilizado em ações de prevenção da poluição do solo e no controle de áreas contaminadas. Foram coletadas amostras de solo dos estados de Mato Grosso e Rondônia, nas profundidades de 0-5, 5-10, 10-20 e 20-30 cm, em áreas de vegetação nativa (sem ou mínima intervenção antrópica). Objetivou-se com essa dissertação: (i) determinar os valores de referência de metais pesados em solos de Mato Grosso e Rondônia; (ii) avaliar métodos de extração de teores pseudototais de metais pesados (EPA 3051 e Água Régia); (iii) correlacionar estes valores com atributos físicos e químicos dos solos; (iv) correlacionar os resultados desse estudo com valores já estabelecidos para solos de outros estados brasileiros. Partiu-se das hipóteses: i) não ocorrerão diferenças entre os teores naturais de metais pesados nos solos de Mato Grosso e Rondônia pelos dois métodos de extração de teores pseudototais de metais; ii) os VRQ de metais pesados para os solos de Mato Grosso e Rondônia são diferentes dos VRQ obtidos para solos de outros estados brasileiros; e iii) haverá correlação significativa entre os teores naturais de metais pesados e os atributos físicos e químicos dos solos. Houve diferença entre os métodos da água régia e EPA 3051 para recuperação dos metais Co, Ni, Pb e Zn, sendo a água régia o método que mais extraiu esses elementos, enquanto os teores de Cr e de Cu não diferiram entre os métodos. A água régia, em geral, apresentou maiores recuperações dos teores pseudototais de metais pesados nos solos. Os teores dos óxidos de Fe e Mn foram as variáveis que, de forma geral, mais correlacionaram com os metais pesados. O teor de carbono orgânico não contribuiu para avaliação da variação geral dos teores de metais por não correlacionar significativamente com nenhuma variável. As variações encontradas entre os teores de metais pesados dos solos do mundo e de outros estados brasileiros reafirma a necessidade da obtenção de valores de referência para cada estado ou para cada tipo de solo, dependendo da variação das características geomorfológicas, pedológicas e geológicas do estado. / Environmental monitoring institutions need benchmarks for continuous assessment of environmental impacts. Indicators are obtained by comparing the total levels of toxic elements in soils with values determined in natural conditions (unpolluted) or with reference values. Because of the growing social demand for improvement and maintenance of environmental quality in Brazil, some studies have been carried out to establish guideline values for heavy metals in soils. These are pre-set values for the presence of chemicals that enable the verification of possible contamination. The Brazilian National Environmental Agency establishes three guideline values: Reference Value (RV); Prevention Value and Intervention Value. The RV indicates the quality threshold for a considered clean soil to be used in actions to prevent pollution of soil and control of contaminated areas. Soil samples were collected from the states of Mato Grosso and Rondônia, Brazil, at 0-5, 5-10, 10-20 and 20-30 cm layers, in areas of native vegetation (no or minimal human intervention). The objectives of this thesis were: (i) to determine the reference values of heavy metals in soils of Mato Grosso and Rondonia, (ii) to evaluate extraction methods for pseudototais levels of heavy metals (EPA 3051 and aqua regia), (iii) to correlate these values with physical and chemical soils attributes, and (iv) to correlate the results of this study with values established for soils from other Brazilian states. It started from following assumptions: i) no differences will be observed between the natural contents of heavy metals in soils of Mato Grosso and Rondônia by the two extraction methods, ii) the RV of heavy metals for Mato Grosso and Rondônia soils are different from RV obtained for soils from other Brazilian states, and iii) there are significant correlations between natural levels of heavy metals and the physical and chemical attributes of soils. Differences between aqua regia and EPA 3051 were found for Co, Ni, Pb and Zn, the aqua regia method extracting a higher amount of these elements, while the levels of Cr and Cu did not differ between the methods. The aqua regia, in general, had a better recovery of the pseudototal levels of heavy metals in the soils. Contents of Fe and Mn oxides were the variables that, in general, more correlated with the contents of heavy metals in the soils. The organic carbon content did not contribute to assessment of the overall variation of the metal levels because it did not correlate significantly for any variable. Differences between the levels of heavy metals in soils of the world and from other Brazilian states reaffirm the necessity of obtaining reference values for each state or each type of soil, depending on the variation of geomorphological, pedological and geological features of the state.

Os órgãos de monitoramento ambiental necessitam de indicadores de referência para a avaliação continuada dos impactos ambientais. Indicadores são obtidos por meio da comparação dos teores totais de elementos tóxicos de um solo com valores determinados em condições naturais (não poluídos) ou com valores de referência. No Brasil, com a crescente demanda social pela melhoria e manutenção da qualidade ambiental, alguns estudos foram realizados com o objetivo de estabelecer valores orientadores para metais pesados em solos. Estes são valores préestabelecidos quanto à presença de substâncias químicas que possibilitam a verificação de possível contaminação. A legislação brasileira estabelece três valores orientadores: Valores de Referência de Qualidade (VRQs), de Prevenção (VP) e de Investigação (VI). O VRQ indica o limite de qualidade para um solo considerado limpo a ser utilizado em ações de prevenção da poluição do solo e no controle de áreas contaminadas. Foram coletadas amostras de solo dos estados de Mato Grosso e Rondônia, nas profundidades de 0-5, 5-10, 10-20 e 20-30 cm, em áreas de vegetação nativa (sem ou mínima intervenção antrópica). Objetivou-se com essa dissertação: (i) determinar os valores de referência de metais pesados em solos de Mato Grosso e Rondônia; (ii) avaliar métodos de extração de teores pseudototais de metais pesados (EPA 3051 e Água Régia); (iii) correlacionar estes valores com atributos físicos e químicos dos solos; (iv) correlacionar os resultados desse estudo com valores já estabelecidos para solos de outros estados brasileiros. Partiu-se das hipóteses: i) não ocorrerão diferenças entre os teores naturais de metais pesados nos solos de Mato Grosso e Rondônia pelos dois métodos de extração de teores pseudototais de metais; ii) os VRQ de metais pesados para os solos de Mato Grosso e Rondônia são diferentes dos VRQ obtidos para solos de outros estados brasileiros; e iii) haverá correlação significativa entre os teores naturais de metais pesados e os atributos físicos e químicos dos solos. Houve diferença entre os métodos da água régia e EPA 3051 para recuperação dos metais Co, Ni, Pb e Zn, sendo a água régia o método que mais extraiu esses elementos, enquanto os teores de Cr e de Cu não diferiram entre os métodos. A água régia, em geral, apresentou maiores recuperações dos teores pseudototais de metais pesados nos solos. Os teores dos óxidos de Fe e Mn foram as variáveis que, de forma geral, mais correlacionaram com os metais pesados. O teor de carbono orgânico não contribuiu para avaliação da variação geral dos teores de metais por não correlacionar significativamente com nenhuma variável. As variações encontradas entre os teores de metais pesados dos solos do mundo e de outros estados brasileiros reafirma a necessidade da obtenção de valores de referência para cada estado ou para cada tipo de solo, dependendo da variação das características geomorfológicas, pedológicas e geológicas do estado. / Environmental monitoring institutions need benchmarks for continuous assessment of environmental impacts. Indicators are obtained by comparing the total levels of toxic elements in soils with values determined in natural conditions (unpolluted) or with reference values. Because of the growing social demand for improvement and maintenance of environmental quality in Brazil, some studies have been carried out to establish guideline values for heavy metals in soils. These are pre-set values for the presence of chemicals that enable the verification of possible contamination. The Brazilian National Environmental Agency establishes three guideline values: Reference Value (RV); Prevention Value and Intervention Value. The RV indicates the quality threshold for a considered clean soil to be used in actions to prevent pollution of soil and control of contaminated areas. Soil samples were collected from the states of Mato Grosso and Rondônia, Brazil, at 0-5, 5-10, 10-20 and 20-30 cm layers, in areas of native vegetation (no or minimal human intervention). The objectives of this thesis were: (i) to determine the reference values of heavy metals in soils of Mato Grosso and Rondonia, (ii) to evaluate extraction methods for pseudototais levels of heavy metals (EPA 3051 and aqua regia), (iii) to correlate these values with physical and chemical soils attributes, and (iv) to correlate the results of this study with values established for soils from other Brazilian states. It started from following assumptions: i) no differences will be observed between the natural contents of heavy metals in soils of Mato Grosso and Rondônia by the two extraction methods, ii) the RV of heavy metals for Mato Grosso and Rondônia soils are different from RV obtained for soils from other Brazilian states, and iii) there are significant correlations between natural levels of heavy metals and the physical and chemical attributes of soils. Differences between aqua regia and EPA 3051 were found for Co, Ni, Pb and Zn, the aqua regia method extracting a higher amount of these elements, while the levels of Cr and Cu did not differ between the methods. The aqua regia, in general, had a better recovery of the pseudototal levels of heavy metals in the soils. Contents of Fe and Mn oxides were the variables that, in general, more correlated with the contents of heavy metals in the soils. The organic carbon content did not contribute to assessment of the overall variation of the metal levels because it did not correlate significantly for any variable. Differences between the levels of heavy metals in soils of the world and from other Brazilian states reaffirm the necessity of obtaining reference values for each state or each type of soil, depending on the variation of geomorphological, pedological and geological features of the state.

Wetlands are one of the most productive ecosystems in the world, providing a range of services, including: water quality improvement, flood mitigation, erosion control, habitat, and carbon storage. It is estimated that Tennessee has lost 60% of its original 2 million acres of pre-European settlement wetlands. Recently, increased funding has been made available for wetland restoration and expansion. In response, the Cherokee National Forest has proposed a range of wetland restoration actions within the Paint Creek Watershed to expand and restore some of the existing bogs and fens, including the Cutshaw Bog, a 163,864 m2 wetland located 32 km south of Greeneville, TN. The U.S. Forest Service has proposed a new expanded wetland boundary to result from restoration efforts. However, to assess the potential for success, current wetland indicators based on soil color, texture, depth, drainage, sulfide materials, and iron concentrations were examined. Sampling locations were identified by overlaying a grid, composed of 64 cells, each 40.5 meter by 40.5 meter in size. Soil cores were extracted up to a depth of 0.6 meters from each sampling cell and evaluated in situ for hydric soil properties using the Eastern Mountains and Piedmont Army Corps of Engineers Wetlands Delineation Manual. Soil physical (texture, bulk density, moisture content) and chemical (pH, cation exchange capacity, % base saturation, Nitrogen, Bray II Phosphorus, Iron, Zinc, and Total Carbon Content) properties were evaluated in the laboratory. Results indicated 47% of samples taken within the proposed wetland expansion area currently have hydric soil characteristics and were located along drainage lines. Presence of hydric soils was correlated with soil physicochemical properties including bulk density, moisture content, sulfur and phosphorus concentrations, iron, and other metals. Statistical analyses for the northern section and southern section of the bog were completed separately, as they were physically divided by a French drain structure. Logistic regression models were developed using properties most strongly correlated with the presence of hydric soil. For the northern section, bulk density and iron were retained in the model, while for the southern section, iron was retained. A spatial model for the presence of hydric soil was developed by spatially interpolating the covariates through kriging. Next, a probability map was created from the logistic regression equation with raster math in ArcGIS Pro. Results indicate that Cutshaw Bog’s area cannot be expanded to the original proposed boundary provided by the US Forest Service and a new recommended boundary was delineated from the probability map. The results of this data driven approach will assist the Forest Service in targeted wetland restoration efforts at the Cutshaw Bog.

Wetlands serve important ecosystem functions such as carbon sequestration but are often affected by disturbances like urban development, agriculture, and road building. For wetlands created to mitigate losses, it is important that the ecosystem functions successfully replicate those of natural wetlands. Created wetlands have frequently not provided these functions due to issues including low organic carbon (OC), high soil bulk density (BD), lost topsoil, incorrect hydrology, and failure of targeted vegetation establishment. Organic matter (OM) amendments help created wetlands attain these functions quicker, but, their long-term effects are seldom reported. This research's purpose was to measure the long-term effects of treatments at a sandy tidal freshwater wetland created in 2003 (WWE) and a fine-textured, non-tidal wetland created in 2002 (CCW). We tested OM treatments, topsoil amendment, and microtopography effects on soil and vegetation properties at WWE and OM treatments at CCW. Pedogenic changes in soil morphology, physical and chemical properties were detected by comparing data to previous studies at these sites. At both sites, litter and biomass parameters were measured to estimate total mass C. Herbaceous biomass was measured at WWE. At WWE, no long-term OM treatment effects from 78 or 156 Mg ha-1 were observed. Soils in pits had higher OC, lower BD, and lower chroma than soils on mounds. Sandy and loamy HSFI's developed at WWE within four years, but there were fewer sandy indicators after 12 years. Loamy HSFI's were lost at CCW from 2003 to 2016. Plots at WWE that were amended with topsoil had higher soil mass C than the sandy soil due to a finer texture, but total mass C did not vary. At CCW, long-term OM treatment effects were observed, including lower BD, higher soil mass C, and higher tree mass C with increasing compost rates up to 224 Mg ha-1. Overall, the ideal compost loading rate for constructed wetlands varied with wetland type and mitigation goals. Compost rates of 112 Mg ha-1 are sufficient for short term establishment of wetland vegetation and hydric soil properties, but higher rates near 224 Mg ha-1 may be required for effects that last over 10 years. / Ph. D.