Matéria orgânica dos solos antrópicos da amazônia (terra preta de índio): suas características e papel na sustentabilidade da fertilidade do solo beáta Emöke Madari1, Tony Jarbas Ferreira Cunha2, Etelvino Henrique Novotny3, Débora Marcondes Bastos Pereira



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MATÉRIA ORGÂNICA DOS SOLOS ANTRÓPICOS DA AMAZÔNIA (TERRA PRETA DE ÍNDIO): SUAS CARACTERÍSTICAS E PAPEL NA SUSTENTABILIDADE DA FERTILIDADE DO SOLO
Beáta Emöke Madari1, Tony Jarbas Ferreira Cunha2, Etelvino Henrique Novotny3, Débora Marcondes Bastos Pereira Milori4, Ladislau Martin Neto4, Vinicius de Melo Benites3, Maurício R. Coelho3, Gabriel A. Santos5
1Embrapa Arroz e Feijão, Rod. GO 462, Km 12, Zona Rural, 75375-000 Santo Antônio de Goiás, GO, Tel.: (62) 3533-2181, E-mail: madari@cnpaf.embrapa.br; 2Embrapa Semi-Árido, Rod. BR 428, Km 152, Zona Rural, 56300-970 Petrolina, PE, Tel.: (87) 3862-1711, E-mail: tony@cpatsa.embrapa.br; 3Embrapa Solos, Rua Jardim Botânico, 1024, 22460-000 Rio de Janeiro, RJ, Tel.: (21) 2179-4500, E-mail: etelvino@cnps.embrapa.br, vinicius@cnps.embrapa.br, mrcoelho@cnps.embrapa.br; 4Embrapa Instrumentação Agropecuária, Rua XV de Novembro, 1452, Centro, 13561-160 São Carlos, SP, Tel.: (16) 3374-2477, debora@cnpdia.embrapa.br; martin@cnpdia.embrapa.br; Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Instituto de Agronomia, Departamento de Solos, Rod. BR 465, Km 47, 23890-000 Seropédica, RJ, Tel.: (21) 3787-3772, E-mail: gasantos@ufrrj.br
INTRODUÇÃO
A matéria orgânica, é um componente do solo que, em comparação à fase mineral, está presente em menor quantidade, de modo que, em geral, de 1-5% do solo é composto pelas frações orgânicas, sendo exceção alguns solos em condições ambientais específicas, como os Organossolos, que contêm mais de 200 g.kg-1 matéria orgânica (mais de 20% em massa) com espessura mínima de 40 cm (Embrapa, 1999). A distribuição da matéria orgânica no solo é variável, tanto em profundidade (ao longo do perfil do solo), quanto horizontalmente. Esta distribuição do carbono no solo depende de vários fatores, sendo exemplos o tipo do solo, o relevo, a cobertura ou uso do solo, as condições climáticas, a vegetação natural predominante na área,as práticas de uso e manejo do solo, entre outros. Além da quantidade, a qualidade da matéria orgânica é também de grande importância, uma vez que o carbono é fonte de nutrientes e energia para os microrganismos, além de condicionar funções do solo. Entre essas, há um destaque para retenção de água, estrutura do solo e sua estabilidade, porosidade, retenção e disponibilidade de micro e macronutrientes, devido ao fato de os teores de MO regularem a capacidade de troca de cátions (CTC), principalmente, em solos tropicais, cuja fase mineral é dominada por minerais (caulinita, óxidos de ferro e alumínio, como goetita e hematita) de baixa atividade química, quando compara à fase mineral (vermiculita, montmorilonita, ilita) dos solos encontrados em regiões de clima temperada. Em solos brasileiros, a matéria orgânica pode contribuir para até 80% das cargas negativas do solo, e isso explica o fato de a CTC desses solos estar, em grande parte, associada à matéria orgânica do solo. Assim, uma variação na quantidade e qualidade da matéria orgânica pode causar grande efeito sobre as propriedades e processos que ocorrem no sistema solo. A matéria orgânica pode, ainda, desempenhar importantes papéis na ciclagem de nutrientes, cuja dinâmica é pouco conhecida. Portanto, o manejo da matéria orgânica visando à conservação e melhoria de sua qualidade é fundamental para a manutenção da sustentabilidade dos agroecossistemas tropicias.
A maior parte dos solos agricultáveis na Região Amazônica são ácidos, com baixa CTC, conseqüentemente, com baixa fertilidade e potencial produtivo. O grau de fertilidade do solo, por ser considerado baixo, é, portanto, um fator limitante para a produtividade e sustentabilidade ambiental e econômica.
Nessa mesma região, ocorrem os solos comumente denominados de Terra Preta de Índio, ou somente Terra Preta, que apresentam horizonte A antrópico (Au) ou arqueo-antropedogênico (traduzido de inglês: archaeo-anthropedogenic), denominação para esse horizonte proposta por Kämpf et al. (2003). Várias hipóteses foram propostas a respeito dos processos de formação das Terras Pretas, mas a mais aceita atualmente é a que preconiza que estes solos teriam sido formadas pelo homem pré-histórico (Woods e McCann, 2001), embora, ainda, não há opinião consolidada se a ação humana na formação desses solos era intencional (Neves et al., 2003). Os locais denominados de sítios arqueológicos foram locais de moradia no passado pré-histórico que serviram de verdadeiros depósitos de resíduos de origem vegetal (folhas e talos de palmeiras diversas, cascas de mandioca e sementes) e de origem animal (ossos, sangue, gordura, fezes, carapaças de quelônios e conchas), além de uma grande quantidade de cinzas e resíduos de fogueiras (carvão vegetal). Esse grande aporte de material orgânico, provavelmente, tenha contribuído para a formação de solos altamente férteis, com teor elevado de matéria orgânica estável de origem pirogênica e com elevados teores de fósforo disponível, cálcio, magnésio, zinco, manganês e carbono (Kern, 1988; Kern e Kämpf, 1989; Kern, 1996; Costa e Kern, 1999). Aparentemente, as Terras Pretas formam micro-ecossistemas próprios que não se esgotam rapidamente, mesmo nas condições tropicais em que estão expostos ou sob uso agrícola.
Sombroek (1966) mencionou a existência de Terras Mulatas, que são solos que também apresentam teores elevados de fósforo e carbono, mas que não contêm artefatos, embora pareçam estar associadas à atividade antrópica. Há indicações de que essas áreas teriam sido utilizadas na produção agrícola, enquanto que os sítios com elevada concentração de artefatos teriam sido o local de moradia. Segundo McCann et al. (2001) as Terras Mulatas contêm teor de carbono orgânico similar às Terras Pretas, mas menores teores de fósforo e cálcio disponível. Exemplares de Terra Mulata na região do Rio Negro e Urubu tiveram produtividades similares às Terras Pretas da mesma região (Lehmann et al., 2003). Pelo fato das Terras Mulatas também terem sido formadas como resultado da atividade humana e terem características similares às Terras Pretas, Kämpf et al. (2003) sugeriram o uso do termo “Arqueo-antrossol” (traduzido de inglês: Archeo-anthrosol) para a identificação de solos antrópicos da Amazônia.
As Terras Pretas não são homogêneas quanto à fertilidade e potencial produtivo, podendo haver diferenças inclusive entre Terras Pretas de uma mesma região e há uma grande variedade nas propriedades de fertilidade dentro de uma mancha (Lehmann at al., 2003). Apesar dessas diferenças, algumas propriedades importantes ligadas ao grau de fertilidade são comuns na maioria das Terras Pretas, como: alto teor de carbono orgânico com propriedades físico-químicas particulares (em grande parte pirogênico) e elevados teores de fósforo, cálcio e micronutrientes, comparado a solos adjacentes, como Argissolos e Latossolos, entre outros.
Um dos principais fatores responsáveis pelo comportamento diferenciado dos solos antrópicos, comparado aos solos adjacentes sem horizonte A antrópico, é a maior quantidade e, principalmente, a diferença qualitativa da sua matéria orgânica. O objetivo desse capítulo foi avaliar a matriz orgânica nas Terras Pretas de Índio, as comparando aos solos não antrópicos, adjacentes, e investigar o efeito das possíveis diferenças sobre o grau de fertilidade de solos antrópicos e não antrópicos.
CARACTERÍSTICAS DO HORIZONTE A DE TERRAS PRETAS DE ÍNDIO E DE SOLOS ADJACENTES NÃO ANTRÓPICOS: COLORAÇÃO DO SOLO, ESTRUTURA DO SOLO, GRAU DE FERTILIDADE DO SOLO
Nesta parte do capítulo, são descritas as principais características associadas aos horizontes das Terras Pretas de Índio, em comparação a solos não antrópicos adjacentes aos locais de estudo. Essa caracterização de horizontes sob influência antrópica torna-se importante no sentido de determinar as possíveis funções da matéria orgânica sobre as diferentes propriedades do solo, principalmente sobre os atributos associados à fertilidade do solo. Do mesmo modo, são discutidas características das Terras Pretas de Índio que poderiam ser utilizadas na separação e classificação dessa classe de solo.
Coloração do solo
A coloração das Terras Pretas no horizonte arqueo-antropedogênico, em geral, como sua denominação indica, é preta a bruno acinzentada muito escura (5YR 2,5/1; 7,5YR 2/0 a 3/1; 10yr 2/0 a 3/2) (Kämpf e Kern, 2005), oposta à coloração dos solos não antrópicos da região, cuja coloração, exceto em alguns exemplos específicos, é determinada pela cor da fase mineral do solo. Essa propriedade muito característica das Terras Pretas é causada pela quantidade (Kern e Kämpf, 1989) e qualidade da matéria orgânica presente nesses solos. As Terras Pretas contêm elevado teor de matéria orgânica, comparado a solos não antrópicos. Dados de 56 perfis de Terras Pretas mostraram que, enquanto o teor médio de carbono orgânico na camada superficial de 0-20 cm em Terras Pretas foi de 30 g kg-1 (Número de amostras - N=56, Coeficiente de variação - CV=66%), nos solos não antrópicos da Amazônia, foi de 17 g kg-1 (N=47, CV=58%) na mesma profundidade (Madari et al., 2003). De maneira geral a correlação entre a cor do solo e a sua concentração de matéria orgânica é baixa (r2=0,31 pelo estudo de Schulze et al., 1993), embora exista uma tendência de o maior teor de MO causar um escurecimento do solo. Em Terras Pretas, a distribuição das frações da matéria orgânica entre si é diferente daquela observada nos solos não antrópicos, sendo que as frações mais recalcitrantes e persistentes no solo (por exemplo humina e ácidos húmicos) predominam em relação às frações mais solúveis (por exemplo ácidos fúlvicos) em Terras Pretas (Souza et al., 2003). A estabilidade da matéria orgânica é relacionada às certas estruturas moleculares que possibilitam que parte da matéria orgânica nas Terras Pretas tenha um tempo de persistência maior no solo, por estarem protegidas da rápida decomposição microbiana. Parte das estruturas responsáveis para estabilidade química da matéria orgânica, por exemplo, estruturas amorfas, hetero-policondensadas, com elevada concentração de ligações duplas conjugadas - (Kumada, 1965) e poliaromáticas, e, conseqüentemente, as frações mais estáveis da matéria orgânica são de coloração marrom escura ou preta, que predominam em relação à coloração mais amarelada ou descolorada conferidas pelas frações mais lábeis, por exemplo, os ácidos fúlvicos e ácidos orgânicos de baixa massa molar. Os solos antrópicos da Amazônia conteêm elevado teor de carbono pirogênico ou carvão, em comparação a média geral de solos não antrópicos (Glaser et al., 2000). A presença de carvão também acentua a coloração escura do solo (Schmidt e Noack, 2000).
Estrutura do solo
Além do manejo químico da fertilidade dos solos, o manejo das propriedades físicas é também de grande importância. O manejo físico dos solos é altamente relevante à sua fertilidade, produtividade agrícola e à qualidade ambiental (Lal, 2000). Os solos tropicais, em geral, possuem estrutura desenvolvida, sendo exemplo os latossolos cauliníticos com alto teor de argila. Entretanto, sob manejo inadequado, como o uso freqüente de práticas de revolvimento do solo, ocorre uma rápida deterioração da estrutura desses solos. Os solos antrópicos da Amazônia também apresentam excelentes propriedades físicas. Sua densidade aparente nas profundidades superiores do horizonte antrópico é, em geral, baixa (1,08 ± 0,23 g cm-3, N=10), a porosidade é alta (58,83 ± 9,07 %, N=10), o mesmo ocorrendo com o potencial de retenção de água (Teixeira e Martins, 2003).
Uma pergunta recorrente está ligada à influência que o carbono pirogênico exerce sobre as propriedades físicas do solo. Por um lado, o carvão, devido à sua porosidade, e conseqüentemente à sua grande área superficial, pode significativamente aumentar a capacidade de retenção de água, especialmente em solos de textura arenosa, contudo, a estrutura aromática, que tem características hidrofóbicas, pode reduzir a penetração de água nos espaços porosos de agregados do solo, aumentando, assim, a estabilidade dos agregados (Glaser et al., 2002). Provavelmente, devido à essa propriedade do carvão, em solos de textura média, a adição de carvão não tenha efeito sobre esse atributo, e, em solos argilosos, esse efeito seja negativo (Tryon, 1948). Almendros et al. (1992) descreveu o processo evolutivo das substâncias húmicas, que poderiam, significativamente, contribuir à formação de solos com características repelentes a água, como resultado da queima. Assim, a maior concentração de carbono pirogênico, combinado com suas propriedades físico-químicas, como alta estabilidade e reatividade (Zech et al., 1990; Golchin et al., 1997; Schmidt et al., 1999; Poirier et al., 2000) certamente contribuem para o melhoramento das propriedades das Terras Pretas, não somente das químicas, mas das físicas também. Investigações sobre as características físicas dos solos antrópicos da Amazônia são conduzidas na Embrapa Amazônia Ocidental em Manaus e no Museu Paraense Emílio Goeldi, em Belém, PA. Mais informações sobre esse assunto podem ser encontradas em Ruivo et al. (2003) e Teixeira e Martins (2003),como em outros capítulos deste livro.
Grau de fertilidade do solo
Comparando com solos não antrópicos, em geral, as Terras Pretas apresentam uma clara tendência de ter maiores teores de carbono orgânico, cálcio e magnésio, maior pH e saturação por bases (Figura 1) e menor teor de alumínio trocável, propriedades que são responsáveis pela melhor qualidade das Terras Pretas, em relação à sua fertilidade e potencial produtivo. Assim, embora exista alguma sobreposição entre as Terras Pretas e solos não antrópicos, a fertilidade das Terras Pretas é, em geral, maior que a fertilidade dos solos adjacentes sem horizonte A antrópico (Madari et al., 2003). A capacidade de o solo adsorver nutrientes (cálcio + magnésio, saturação por bases), a diminuição da toxidez por alumínio e a estabilização do pH são propriedades e processos cujo controle em solos tropicais fundamentalmente depende da matéria orgânica do solo. Pabst (1992), investigando as principais diferenças entre Terras Pretas e Latossolos, do mesmo modo, verificou que os atributos associados, principalmente, à matéria orgânica, como o pH, teor de matéria orgânica, “estrutura do húmus” (estabilidade à decomposição microbiana), nitrogênio, saturação por bases, capacidade de troca de cátions e teor de fósforo, são que melhor separam as dua classes de solo. Embora a maior quantidade de matéria orgânica em Terras Pretas seja um fator relevante, pesquisas têm mostrado que a composição e as características da matéria orgânica em Terras Pretas também contribuem para o aumento do grau de fertilidade desses solos. A seguir, é feita uma breve descrição das frações funcionalmente distintivas da matéria orgânica do solo, sendo mostradas as propriedades da matéria orgânica em Terras Pretas que mais contribuem para a melhoria da fertilidade delas. Maiores informações sobre a fertilidade das Terras Pretas são disponíveis em outros capítulos deste livro.
FIGURA 1
COMPOSIÇÃO, CARACTERÍSTICAS E FUNÇÕES DA MATÉRIA ORGÂNICA DO SOLO
Para entender como a matéria orgânica e suas diferentes formas contribuem para a formação da fertilidade distintiva das Terras Pretas em comparação aos solos adjacentes não antrópicos, é importante conhecer as principais frações e compartimentos da matéria orgânica e suas funções no solo.
O termo “matéria orgânica do solo” ou “húmus” refere-se ao conteúdo total de matéria orgânica viva e morta, incluindo a biomassa (Waksman, 1936). Ela é composta de uma diversidade de materiais orgânicos de diferentes funções no ecossistema solo. Segundo Stevenson (1994), a classificação das formas (frações) da matéria orgânica morta são as seguintes:
A liteira é matéria macroorgânica, por exemplo resíduos de plantas na superfície do solo. Sua função é fornecer energia para os organismos do solo e proteger a superfície do solo contra a degradação física.
A fração leve consiste da matéria orgânica morta não, ou parcialmente, decomposta, cuja densidade se situa em torno de 1 a 2 g cm-3. Dependendo da sua localização dentro da estrutura do solo, identificam-se duas sub-frações: fração leve livre e fração leve intra-agregada ou oclusa (Sohi et al., 2001). A fração leve livre encontra-se entre os elementos estruturais estáveis (agregados) do solo, e a fração leve intra-agregada dentro dos agregados estáveis. A grande diferença entre essas duas subfrações é que, enquanto a fração leve intra-agregada está fisicamente protegida pela estrutura do solo, a fração leve livre pode ser rapidamente decomposta pela biota do solo, por se tratar de C passível de ser acessado pelos microrganismos decompositores e seus complexos enzimáticos. Outrossim a função dessas frações é fornecer energia para os organismos do solo, além de fornecer nutrientes para as plantas através do processo de mineralização. Enquanto a fração leve livre é mais suscetível ao processo de mineralização, a fração leve intra-agregada, por ser protegida dentro dos agregados, libera nutrientes ao solo mais lentamente (Six et al., 2000). Adicionalmente, o C da fração leve se constitui em reservatório importante de C biodisponível no solo, uma vez que pode representar de 5 a 35 % do C total presente no solo. O manejo conservacionista de agroecossistemas (sistemas agroflorestais, sistema plantio direto, etc.) promovem um aumento do aporte de resíduos ao solo (palhada) e do C da fração leve e, com isso, melhoram a qualidade do solo.
As substâncias não humificadas englobam compostos orgânicos de natureza e propridades físico-químcias conhecidas, sendo exemplos os aminoácidos, carboidratos, gorduras, ceras, resinas, ácidos orgânicos, entre outros. A matéria orgânica contém a maioria ou todos os compostos bioquímicos produzidos pelos organismos vivos, incluindo as plantas. Esses compostos participam da nutrição dos microorganismos, sendo mineralizados e, em parte, temporariamente imobilizados. Outras substâncias, como mucilagens, apresentam um importante papel na estruturação do solo, pois agem como verdadeiros cimentos ligando partículas de argila e contribuindo para a formação de agregados do solo. As enzimas existentes no solo, sejam elas produzidas por microrganismos ou pelas plantas, apresentam um importante papel na sua fertilidade, pois são capazes de solubilizar nutrientes em formas bastante estáveis, tornando-os disponíveis para a assimilação pelas plantas. No caso específico do fósforo, fortemente adsorvido em solos tropicais com predomínio de óxidos de ferro e alumínio na fração argila, a ação das enzimas (fosfatase e fitase) em participar dos processos de mineralização de formas orgânicas de P é fundamental para o aumento da disponibilidade desse nutriente no solo.
As substâncias húmicas são um conjunto de moléculas que posseum massa molar variável, coloração amarelada a preta e solubilidades diferenciadas em meios alcalino e ácido. Em grande parte, são formadas por reações secundárias de síntese, assim, organismos vivos não as produzem diretamente. As substâncias húmicas distinguem-se no solo ou em sedimentos em razão de apresentarem caracaterísticas diferentes dos compostos que lhes deram origem, seja, eles, originados de biopolímeros de microrganismos ou de plantas, ou de processos de síntese e ressíntese mediados pelos organismos decompositores do solo. Em geral as substâncias húmicas, representam, aproximadamente, 70% do C total do solo. Por isso, exercem grande influência sobre as características físicas e químicas do solo, e conseqüentemente, tem grande influência sobre os atributos de fertilidade. Dentro da fração das substâncias húmicas, diferenciamos quatro frações principais, tendo como base as suas características de solubilidade em ácido, base e álcool. Essas classes de moléculas englobam: a humina, ácido húmico, ácido himatomelânico e ácido fúlvico. A humina é a fração insolúvel da matéria orgânica em solução aquosa em meios ácido e alcalino, portanto, em qualquer valor de pH de solução extratora. Os ácidos húmicos são os compostos de coloração escura da matéria orgânica solúveis em solução básica e insolúveis em solução ácida. Os ácidos himatomelânicos são a fração dos AH solúveis em álcool. Os ácidos fúlvicos são os compostos da matéria orgânica solúveis tanto em meio básico como em ácido.
Os compartimentos da matéria orgânica do solo são, em geral, separados e classificados em lábil (ou ativo), lento (ou intermediário) e recalcitrante (ou estável) (Wander, 2004). A biomassa microbiana e os substratos derivados de organismos vivos, a liteira, a fração leve não protegida (fração leve livre), entre outros, são considerados frações lábeis da matéria orgânica do solo. Por se tratar de C de maior biodisponibilidade, essas frações são as fontes primárias de energia e nutrientes para a microbiota. No grupo intermediário de labilidade, encontram-se os resíduos orgânicos parcialmente decompostos, fisicamente protegidos (fração leve intra-agregado) e alguns materiais humificados, que prontamente podem ser hidrolisadas ou possuem maior mobilidade no solo (ácidos orgânicos, ácidos fúlvicos, etc.). No grupo de moléculas recalcitrantes, podem ser mencionados os materiais altamente refratários, como carvão e outros materiais pirogênicos, lignina, macromoléculas alifáticas e alguns substâncias húmicas associados à fase mineral do solo (humina) ou em associações moleculares de alta massa molar aparente (alguns ácidos húmicos).
A matéria orgânica humificada (substâncias húmicas), como foi descrito anteriormente, pertence aos grupos intermediário e recalcitrante, e é um reservatório de nutrientes e carbono no solo. Todos esses grupos têm um papel importante no ciclo e dinâmica de carbono e de atributos de fertilidade do solo, particularmente em solos tropicais, altamente intemperizados e, conseqüentemente, com uma fase mineral de baixa reatividade química e baixa capacidade para adsorver nutrientes.
As frações acima mencionadas das substâncias húmicas são operacionalmente definidas e quimicamente não homogêneas (Kononova, 1966), mas existem certas tendências de similaridade nas características dos compostos pertencentes a cada grupo (Kumada, 1965).
Essas características refletem particularidades moleculares das diferentes frações que resultam em propriedades diferenciadas, que referem-se à estabilidade e reatividade das frações. Em termos gerais, entre as frações das substâncias húmicas solúveis em base, os ácidos húmicos apresentam maior massa molar aparente e possuem maior presença de estruturas aromáticas, e os ácidos fúlvicos têm mais grupos funcionais quimicamente reativos (grupos carboxílicos e fenólicos). Assim, os ácidos húmicos são relativamente mais estáveis e têm maior tempo de persistência no solo. Os ácidos fúlvicos são mais móveis dentro do sistema solo, o que reflete a menor massa molar e solubilidade dessas moléculas em diferentes faixas de pH.
Carvões - Na maioria dos solos tropicais, são encontrados pequenos fragmentos de carvão resultantes de queimas naturais ou da ação do homem. Esses carvões são uma forma bastante estável da matéria orgânica. Quando estão na forma de fragmentos muito pequenos, os carvões apresentam alguma atividade no sentido de absorver compostos orgânicos solúveis, reter água e servem como abrigo para alguns microorganismos do solo (Benites et al. 2005a). Na Amazônia, é muito comum a prática da queima da vegetação, que além de provocarem a uma série de problemas, como a poluição, a destruição da microbiota do solo e de alguns elementos da fauna e flora, incorporam carvões ao solo. Em alguns países como o Japão, a prática dessa incorporação é tradicional (Ogawa, s.a.). Estudos mais recentes têm avaliado o efeito da adubação com carvão sobre as propriedades físico-hídricas e químicas do solo (Glaser et al., 2002). Um capítulo deste livro oferece informação sobre a formação, ocorrência e propriedades de carvões.

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