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.

Made available in DSpace on 2016-04-26T19:39:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2006-Luciano Lopes Reis.pdf: 1765828 bytes, checksum: e031c34734485e7d84bd20e5fcc0d59b (MD5) Previous issue date: 2006-02-24 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / This study had as objective to monitor the process of environmental reclamation of tanks filled with residues from bauxite washings, vegetated by hydro-sowing legume trees species inoculated with rhizobia, and asbuscular mycorrhizal fungi. Nutrient fertilizers, without nitrogen, were added at the mixture at sowing. Later it was planted a mixture of native tree species seedlings, with a high proportion of N2-fixing legumes, in an experiment with additional increasing levels of fertilizers and liming, except for nitrogen. The deposits of sterile bauxite subsoil, vegetated with the mix of native species, with high proportion of legumes capable of N2 fixation and mineral fertilization, were evaluated at different periods of time, for the chemical and biological attributes of soil and plants. Samples of soil, leaves, litter, and soil invertebrates fauna were taken in 2002, 2003 and 2004, to measure nutrient availability in soil; foliar nutrient level of indicator plants; soil microbial biomass and activity; soil fauna activity, diversity and ecological indexes; and evaluation of vegetal coverage of the SP1 residue tank. The results of foliar analyses indicated that even at the highest level of fertilizer and lime additions in the SP1 residue tank were not sufficient to meet the adequate plant nutrition requirements, indicating the need of higher input of nutrients. By using multivariate statistical analyses of the data, it was possible to distribute the studied systems along Cartesian axis, where the native forest area, used as testimony, and old vegetated mining sites (planted in 1984, 1992 and 1994) were clustered together; while the most recent vegetated mining sites and the tanks filled with residues formed a distant cluster. Among the index attributes studied Al+3, total C, total N, K, soil pH, microbial carbon and respiration; and Ca and Mg from litter were the principal factors determining the ordering and distinction between reclamation sites. The reclamation methodology used in the residue tank SP1, which combined the hydro-sowing with application of low solubility fertilizers, using a mix of seeds from medium cycle legume trees inoculated and with mycorrhizae, with later planting of native seedlings and manual dispersion of seeds, showed to be an important technique to stimulate natural vegetation growth. Also, the technique resulted in a high capacity of addition of decidual material, and the legume tree Acacia holosericea showed the best capacity for soil coverage and input of nutrients. / Com o objetivo de monitorar o processo de recupera??o ambiental de tanques de dep?sito de rejeito da lavagem da bauxita, revegetados atrav?s da hidrossemeadura de leguminosas fixadoras de N2 e com adi??o de fungos micorrizicos, mais aporte de nutrientes. Posteriormente, foi feito o plantio de mudas nativas em experimento de n?veis de aduba??o e calagem, sem aplica??o de nitrog?nio. Os dep?sitos de subsolo est?ril em bauxita revegetados com mistura de esp?cies nativas, com grande propor??o de leguminosas fixadoras de N2 e aduba??o mineral na cova, avaliados em diferentes idades, foram utilizados atributos qu?micos e biol?gicos do solo e planta. Foram realizadas coletas de solo, de folhas, de serapilheira e da fauna de invertebrados do solo, nos anos de 2002, 2003 e 2004, para determina??o da disponibilidade de nutrientes no solo; dos teores foliares de nutrientes das plantas indicadoras; da biomassa e atividade microbiana; da atividade, diversidade de grupos e ?ndices ecol?gicos da comunidade da fauna do solo; e avalia??o da cobertura vegetal do tanque de rejeito SP1. Os resultados da an?lise foliar das esp?cies indicadoras e de disponibilidade de nutrientes no solo indicaram que nem os maiores n?veis de aduba??o e calagem utilizados no experimento do tanque de rejeito SP1 foram suficientes para permitir uma adequada nutri??o ?s plantas, indicando a necessidade de novos aportes de nutrientes. Atrav?s da aplica??o de ferramentas de estat?stica multivariada aos dados, foi poss?vel ordenar os sistemas estudados ao longo de eixos cartesianos, onde a ?rea de mata nativa, usada como testemunha, e reflorestamentos sobre res?duos de minera??o com maior idade (realizados nos anos de 1984, 1992 e 1994) se ordenam pr?ximos uns dos outros, enquanto que os reflorestamentos sobre est?ril mais recentes e ?reas dos tanques de rejeito se ordenam distantes destes, formando grupamentos entre si. Dentre os atributos indicadores utilizados, o Al+3, C total, N total, K e pH do solo; a respira??o e carbono microbiano; e o Ca e Mg da serapilheira foram os mais determinantes para o ordenamento e distin??o entre os sistemas em recupera??o. A metodologia de recupera??o utilizada no tanque de rejeito SP1 que combinou a pr?tica da hidrossemeadura com aplica??o de formas de adubos pouco sol?veis, utiliza??o de coquetel de sementes de leguminosas arb?reas de ciclo m?dio inoculadas e micorrizadas, posterior plantio de mudas nativas e lan?amento manual de sementes, mostrou-se como importante t?cnica propulsora da regenera??o natural. A t?cnica tamb?m resultou em elevada capacidade de aporte de material decidual, sendo a leguminosa arb?rea Acacia holosericea, a esp?cie que apresentou melhor capacidade de cobertura do solo e aporte de nutrientes.