ARTIGO

Variabilidade espacial e estabilidade temporal do carbono orgânico do solo num sistema silvo-pastoril Mediterrânico

Spatial variability and temporal stability of soil organic carbon in a Mediterranean silvo-pastoral system

João Serrano^*, José Marques da Silva, Shakib Shahidian e Mário de Carvalho

 

^* ICAAM, Departamento de Engenharia Rural, Universidade de Évora, P.O. Box 94, 7002-554 Évora, Portugal. ^*Autor para correspondência. E-mail: jmrs@uevora.pt

 

RESUMO

O carbono orgânico assume um papel vital na determinação da susceptibilidade do solo à degradação. O procedimento recomendado para recuperação dos solos pobres da região Sul de Portugal consiste na instalação de pastagens permanentes e na melhoria da fertilidade. Os objectivos deste estudo foram: i) identificar os padrões espaciais e temporais do carbono orgânico do solo (SOC) e do pH num período de 10 anos; ii) avaliar o potencial para gestão diferenciada da correcção orgânica do solo. Uma pastagem permanente bio diversa, pastoreada por ovinos e sujeita a adubação anual com super fosfato, foi instalada numa parcela de 6 ha, num solo delgado em condições Mediterrânicas. Foi avaliada a variabilidade espacial e a estabilidade temporal do SOC e do pH na camada superficial do solo. Os resultados obtidos indicam que o SOC e o pH apresentam grande potencial para implementação de gestão diferenciada. No caso do SOC, o mapa de classes de gestão mostra que mais de 80% da área do campo experimental apresenta estabilidade temporal e mais de 50% da área apresenta baixos valores de SOC (<10 g kg^-1), o que justifica o potencial para aplicação diferenciada de correctivos orgânicos no solo.

Palavras-chave: carbono orgânico do solo, estabilidade temporal, pastagens

 

ABSTRACT

Soil organic carbon (SOC) plays a vital role in determining the susceptibility to land degradation. The recommended procedure for the recovery of the characteristic poor soils of the Southern region of Portugal is the installation of grazed permanent pastures and increasing soil fertility. The objectives of this study were: i) to identify the spatial and temporal patterns of SOC and pH at four points in time over a 10-year period in a perennial pastureland; ii) to evaluate the potential for differential organic management. A 6 ha permanent bio-diverse pasture field, grazed by sheep and improved by annual application of super phospate fertilizer, was installed on a shallow soil in Mediterranean conditions. Spatial variability and temporal stability of topsoil SOC and pH were measured. The results indicate that SOC and pH have great potential for implementing differential management. In the case of SOC, the management classes map shows that over 80% of the area has temporal stability, while more than 50% of the area has low levels of SOC (<10 g kg^-1), justifying the potential for differential application of C-rich organic soil amendments.

Keywords: pastures, temporal stability, soil organic carbon

 

Introdução

Na região Sul de Portugal, a utilização intensiva da terra com monocultura de cereais, sujeita a operações de mobilização do solo anuais, prevaleceu durante décadas. O relevo ondulado característico na região, associado com estas formas de utilização da terra originou mecanismos de erosão e transporte de solo, originando solos degradados, delgados e pedregosos, com baixos teores de matéria orgânica e tendência para a acidificação, todos factores limitantes da produtividade (Yuan et al., 2007). Uma vez que os baixos teores de SOC podem ter impacto negativo nas propriedades do solo e no ciclo de nutrientes, têm sido desenvolvidos esforços no sentido de definir indicadores da degradação do solo baseados nos teores de SOC. É estimado que 16% do solo cultivado na Europa se encontra vulnerável à desertificação, podendo esta percentagem ser mais elevada em áreas de climas como o Mediterrânico, onde alternam verões muito quentes com Invernos muito chuvosos (Romanya e Rovira, 2011).

A partir dos anos 1980s, foram implementadas políticas de conservação do solo, com preferência por itinerários de mobilização reduzida. Neste contexto, o processo standard para recuperação dos solos pobres e degradados consiste na sementeira de pastagens permanentes e a melhoria da fertilidade do solo através da adubação (Efe Serrano, 2006). A gestão da cobertura do solo com culturas permanentes tem sido uma estratégia com vista à conservação do solo através da redução das perdas de água, de solo e de nutrientes e o aumento da qualidade e fertilidade do solo (Yadav et al., 2014). No Alto Alentejo mais de 200.000 ha encontram-se cobertos com pastagens permanentes (Serrano et al., 2014), instaladas predominantemente em áreas com solos pobres e com riscos de erosão (Efe Serrano, 2006).

O conhecimento existente no que respeita à influência de diferentes sistemas de gestão do solo na dinâmica do SOC em ecossistemas agro-silvo-pastoris Mediterrânicos é insuficiente para desenvolver estratégias de conservação do solo (Seddaiu et al., 2013). O SOC é o principal componente da fracção orgânica do solo e assume um papel vital nas propriedades químicas, biológicas e físicas do solo e na sua susceptibilidade à degradação (Mu et al., 2014). O SOC em pastagens representa um dos maiores reservatórios de carbono (C) da terra e assume, por isso, uma importante contribuição no ciclo global do C (Rutledge et al., 2014) e na mitigação das mudanças climáticas resultantes dos gases com efeito estufa (Mu et al., 2014; Ritchie, 2014). A Figura 1 mostra o ciclo do C em pastagens. Através da fotossíntese, as plantas absorvem a energia solar e o dióxido de carbono (CO₂) da atmosfera, produzindo oxigénio e hidratos de carbono, que são a base para o crescimento das plantas. Os animais e as plantas no processo de respiração usam a energia contida nos hidratos de carbono e libertam CO₂, devolvendo à atmosfera C biologicamente fixado no stock terrestre. Variações no armazenamento de C no solo ocorrem quando os outputs (e.g. respiração dos ecossistemas, pastoreio, erosão) não são balanceados pelos inputs (e.g. fotossíntese e fornecimentos de matéria orgânica) (Rutledge et al., 2014). Variações climáticas, associadas a práticas de gestão do solo podem alterar este balanço entre inputs e outputs e, consequentemente o stock de C (Whitmore et al., 2014). O stock de C do solo sob pastagem representa o balanço dinâmico entre a adição resultante da acumulação de material vegetal da cultura e as perdas por decomposição ou mineralização (Machado, 2005). Diversos estudos abordaram a contribuição da mineralização do C para o CO₂ atmosférico em solos submetidos a culturas intensivas (Yan et al., 2012) e a consequente perda de SOC é bem conhecida (Rutledge et al., 2014). Em contraste, pouco se sabe sobre o impacto do ecossistema de pastagens permanentes pastoreadas na dinâmica do SOC (Rutledge et al., 2014; Schipper et al., 2014).

 

 

As crescentes necessidades alimentares da população mundial justificam o interesse também crescente pela compreensão da evolução das propriedades do solo nos diferentes sistemas de gestão (Schipper et al., 2014). Estudos de longo prazo são essenciais para avaliar a magnitude da dinâmica temporal dos fluxos de SOC nos ecossistemas terrestres, para compreender o ciclo do C no solo e para obter respostas destes sistemas à gestão da fertilização (Rutledge et al., 2014). Neste contexto, os objectivos deste estudo foram: i) identificar os padrões espaciais e temporais do SOC e do pH do solo, num período de 10 anos; ii) avaliar o potencial para gestão diferenciada da correcção orgânica do solo.

 

Material e métodos

Características do campo experimental

O campo experimental, com uma área de 6 ha, localiza-se na Herdade da Revilheira (coordenadas geográficas 38º27'51.6”N e 7º25'46.2”W), distrito de Évora. O solo predominante é classificado como Luvissolo (FAO, 2006). O perfil do Luvissolo é caracterizado por uma diferenciação textural, com baixos teores de argila na camada superficial e teores elevados no subsolo. Em encostas são muito susceptíveis à erosão em zonas com estações de Verão e de Inverno muito marcadas, como é o caso da região Mediterrânica, sendo habitual nessas zonas uma menor profundidade de solo arável em resultado de várias décadas de produção intensiva de cereais e frequentes mobilizações pesadas do solo. Nestas regiões estes solos delgados são usados principalmente para instalação de pastagens sob montado (Serrano et al., 2014).

Uma pastagem permanente e bio diversa foi instalada neste campo em Setembro de 2000. Entre 2000 e 2003 o campo foi pastoreado por ovinos e foram aplicados anualmente, em Setembro/Outubro, 300 kg ha^-1 de adubo super fosfato 18% (SP18). No período experimental a que respeita este trabalho (10 anos, entre 2004 e 2013), o campo foi sujeito a dois períodos de intervenção: a) 2004-2007, o campo foi usado para pastoreio por ovinos e sujeito a aplicação diferenciada de adubo SP18; b) 2007-2013, o campo foi deixado em pousio.

 

Amostragem do solo e da pastagem

A variabilidade espacial do solo e da pastagem foi caracterizada a partir de setenta e seis amostras, geo-referenciadas com GPS (recolhidas numa grelha de 28 m ´ 28 m).

As amostras de solo foram recolhidas entre Maio e Junho de cada ano (em 2004, 2007, 2010 e 2013) com uma sonda meia-cana na camada superficial (0-0,30 m). Cada amostra compósita resultou de cinco sub-amostras, recolhidas nos quatro cantos e no centro de cada quadrícula. As amostras de solo recolhidas no campo foram secas ao ar e analisadas num sedimentógrafo (Sedigraph 5100) para determinação da textura em 2004 e 2007. Em 2004, 2007, 2010 e 2013 foi determinado o pH do solo numa suspensão em água (1:2,5) utilizando o método potenciométrico. O SOC foi determinado por combustão a 1300 ºC num analisador Leco SC144DR.

As amostras de pastagem foram recolhidas em 2004, 2007 e 2013 com uma tesoura manual numa área de 1 m² no canto sudeste de cada quadrícula, onde se encontravam instaladas caixas de exclusão de pastoreio. A amostragem foi realizada em cada ano, sucessivamente entre Março e Maio, à medida que o estado vegetativo da pastagem o justificava. As amostras de pastagem foram processadas em laboratório para obtenção da produtividade da pastagem em termos de kg de matéria seca por hectare.

Tratamento estatístico

A análise estatística descritiva foi realizada para obtenção da média, desvio padrão (DP), coeficiente de variação (CV) e intervalo de variação de cada um dos parâmetros medidos. Os mapas da altimetria e das propriedades do solo foram desenvolvidos em ArcGIS 9.3 (ESRI, 2009).

Foi usado o teste de Welch's para separação de médias na comparação entre pontos de amostragem com e sem árvores. Foi utilizado um nível de significância estatística de 95% (p <0,05).

A variabilidade espacial do pH e da concentração de SOC no solo foi calculada como o valor médio (y_i, Eq. 1) em cada ponto de amostragem i no período de dez anos considerado (Blackmore, 2000; Shi et al, 2002; Xu et al., 2006):

 

 

em que y_it é o pH ou a concentração de SOC no solo (g kg^-1) em cada ponto de amostragem i no ano t e n é o número de anos de amostragem de solo.

O coeficiente de variação espacial médio (CV_espacial) foi calculado como o valor médio do CV obtido no conjunto de todos os anos de amostragem (Eq. 2):

 

 

em que n é o número de anos de amostragem de solo.

A estabilidade temporal do pH e da concentração de SOC no solo foi determinada pelo cálculo do CV de cada ponto de amostragem ao longo do tempo (CV_temporal, Eq. 3) utilizando o método previamente apresentado por Blackmore (2000) e Xu et al. (2006) para determinar a estabilidade temporal da produtividade de culturas.

 

 

em que CV_{i_temporal} é o coeficiente de variação ao longo do tempo em cada ponto de amostragem i.

O coeficiente de variação temporal médio do pH e da concentração de SOC no solo (_temporal) para cada ano no conjunto de todos os pontos de amostragem foi calculado de acordo com a equação seguinte (Eq. 4) (Xu et al., 2006):

 

 

em que m é o número de pontos de amostragem do solo.

 

Apesar das duas técnicas descritas atrás quantificarem a tendência espacial e a estabilidade temporal do pH e da concentração de SOC no solo, estas podem ser combinadas num único mapa de classes de gestão, o qual pode ser usado para apoio a futuras tomadas de decisão. Este mapa é uma sinopse dos aspectos mais importantes encontrados nos mapas de tendência espacial e de estabilidade temporal (Blackmore, 2000). Neste estudo foram consideradas cinco classes, utilizadas previamente por Xu et al. (2006). Cada ponto de amostragem foi representado por um código. Os pontos de amostragem foram classificados pela aplicação da combinação lógica do conjunto de valores da variação espacial e da estabilidade temporal, considerando as seguintes condições: condição 1 (respeitante à concentração relativa do parâmetro no solo) identifica se o valor do ponto se encontra acima ou abaixo da média de todos os pontos no conjunto de todos os anos de amostragem; condição 2 (estabilidade temporal) identifica a estabilidade da concentração do parâmetro no solo num ponto particular pela comparação do CV com um valor limite considerado. Neste caso foram considerados dois limites de CV: 15 e 25%. Um ponto é considerado dentro de uma classe particular se simultaneamente se verificarem ambas as condições, sendo-lhe, automaticamente, atribuído um código correspondente a essa classe: (1) acima da concentração média e estável (CV <15%); (2) acima da concentração média e moderadamente estável (15% ≤ CV_i <25%); (3) abaixo da concentração média e estável (CV <15%); (4) abaixo da concentração média e moderadamente estável (15% ≤ CV_i <25%); (5) instável (CV_i ≥ 25%).

 

Resultados e discussão

Propriedades do solo do campo experimental

O mapa topográfico (Figura 2, à esquerda) mostra a localização dos 76 pontos de amostragem do solo e da pastagem (numa grelha regular de “28m*28m”). Neste mapa os círculos identificam os pontos de amostragem realizados em quadrículas com árvores. O mapa de declive (Figura 2, ao centro) mostra três formas topográficas: uma zona de reduzido declive (<5%) no vale; uma zona de declive máximo (>7,5%), que faz a transição entre a linha de água e o cume; e uma terceira zona de declive intermédio (5-7,5%) na zona mais alta do campo experimental, onde também se observa maior concentração de árvores. A zona com declive mais elevado também corresponde a teores mais elevados de argila (Figura 2, à direita). Estes mapas mostram que a topografia exerce um efeito importante sobre o SOC, fenómeno também observado por Kumhálová et al. (2011). Os teores mais elevados de argila nas zonas altas do campo mostram que, nestes solos delgados, o horizonte B se encontra próximo da superfície do solo em resultado de processos erosivos, enquanto na zona de vale o mesmo horizonte se encontra localizado a maior profundidade (Serrano et al., 2013).

O Quadro 1 apresenta a média, o desvio padrão e o intervalo de variação dos parâmetros do solo e da pastagem no campo experimental, nos anos de amostragem. As características gerais do solo são: textura franco-argilosa, ligeiramente ácido e com baixos teores de SOC (predominantemente entre 8-12 g kg^-1, correspondendo a uma concentração de matéria orgânica na camada superficial do solo inferior a 2%).

O Quadro 1 mostra que a produtividade da pastagem é baixa. A distribuição irregular da precipitação, com quatro meses de estação quente e seca, combinada com solos delgados, conduz a baixas produções de matéria seca da pastagem (Efe Serrano, 2006). No entanto, verificou-se um claro aumento da produtividade da pastagem e redução da variabilidade espacial de 2004 (1659±1045 kg ha^-1) para 2007 (3232±941 kg ha^-1), como resultado da aplicação diferenciada de adubo super fosfato 18% (entre 2004 e 2007). De acordo com Schipper et al. (2014) a fertilização fosfatada tem um efeito positivo na produtividade das pastagens.

Simultaneamente verificou-se um acréscimo significativo do SOC (aumentou de 9,6±1,6 g kg^-1 em 2004 para 12,2±2,9 g kg^-1 em 2010), como sugerido por Liu et al. (2014) devido ao adequado fornecimento de fertilizante fosfatado à pastagem. De acordo com Orgill et al. (2014), para um dado solo e clima, a gestão da fertilização pode ser utilizada para aumentar os stocks de C em pastagens permanentes. Nestas culturas perenes, a ausência de perturbação do solo e a importante reciclagem de resíduos orgânicos, vegetais e animais, tendem a aumentar os níveis de SOC no solo (Xavier et al., 2013; Whitmore et al., 2014).

Em 2013, depois de seis anos sem aplicação de fertilizantes e sem pastoreio animal, a produtividade da pastagem diminuiu para valores mais baixos do que os verificados em 2004 (Quadro 1), acompanhada de um decréscimo no SOC (para 10,7±2,9 g kg^-1). Para o decréscimo do SOC terão contribuído os seis anos sem aplicação de fertilizante (2008-2013) com o consequente decréscimo da produtividade, mas também a redução de inputs orgânicos pela suspensão do pastoreio animal no mesmo período (Seddaiu et al., 2013).

Variabilidade espacial e estabilidade temporal das propriedades do solo

As Figuras 3 e 4 mostram a variabilidade espacial e a estabilidade temporal do pH e do SOC nos quatro momentos de amostragem, entre 2004 e 2013. É observável um padrão de acumulação do SOC e o acréscimo do pH nas zonas mais altas da parcela (canto Sudoeste), sendo esta acumulação particularmente evidente em 2010. Este padrão pode ser justificado pela localização das árvores preferencialmente nestas zonas do campo (ver Figura 2, à esquerda) e porque os animais tem tendência a permanecer mais tempo na sombra das árvores, especialmente no período de Primavera-Verão, resultando numa maior concentração de fezes (Serrano et al., 2013).

O Quadro 2 mostra a média ± desvio padrão dos parâmetros do solo e da produtividade da pastagem para todos os pontos de amostragem de quadrículas com árvores (20 pontos de amostragem, Figura 2, à esquerda), em comparação com os pontos de amostragem de quadrículas sem árvores (56 pontos de amostragem, Figura 2, à esquerda). A análise de variância mostra que o efeito da presença de árvores na concentração de nutrientes na camada superficial do solo é significativo, confirmando que a presença de árvores, mesmo que com baixa densidade, pode afectar positivamente as propriedades do solo (Seddaiu et al., 2013). Também Gómez-Rey et al. (2012) verificaram que os stocks de C no solo são influenciados pela distância às árvores. O potencial para aumento do sequestro do C em sistemas que combinam pastagens com árvores aumenta devido ao efeito das raízes secundárias das árvores e das folhas que caem gradualmente e que acumulam grandes quantidades de C no solo, levando ao aumento do SOC (Lozano-García e Parras-Alcántara, 2013). Este aspecto é particularmente importante uma vez que não se verificaram diferenças significativas na produtividade da pastagem entre pontos de amostragem de quadrículas com e sem árvores (Quadro 2).

Por outro lado, é amplamente aceite que as partículas de argila podem proteger fisicamente o SOC contra a decomposição por estabilização de compostos orgânicos dentro dos micro e meso-agregados (Romanya e Rovira, 2011). Valores mais altos de SOC foram também registados neste estudo em áreas com maiores concentrações de argila, o que pode resultar do facto do C ligado à fracção fina do solo se encontrar mais protegido do processo de degradação microbiana do que o C armazenado em fracções grosseiras (Römkens et al., 1999) (ver Figura 2, à direita e Figura 4). De acordo com Corral-Fernández et al. (2013), quando os teores de argila do solo aumentam, aumenta também o número e a dimensão dos agregados, conduzindo a uma diminuição da oxidação do SOC e da mineralização do N. O efeito positivo da argila sobre a acumulação de SOC pode ser acentuado em locais com baixa precipitação, como são as áreas Mediterrânicas, com a redução da actividade microbiana associada a solos secos (Seddaiu et al., 2013).

Classes de gestão dos nutrientes

A estabilidade temporal pode ser muito importante porque se os padrões espaciais dos parâmetros do solo variarem muito significativamente de ano para ano, a gestão intra-parcelar (ou gestão diferenciada dentro da parcela) pode não ser praticável (Xu et al., 2006).

A Figura 5 mostra que o SOC e o pH são parâmetros com potencial para discriminar situações que merecem gestão. Em particular no caso do SOC, mais de 80% da área do campo experimental apresenta estabilidade temporal e mais de 50% da área apresenta valores baixos de SOC (<10 g kg^-1), sugerindo o interesse na aplicação diferenciada de correctivos orgânicos. No clima Mediterrânico, com períodos significativos de escassez de água, solos com baixos teores de carbono orgânico dificilmente permitem acréscimos importantes de produtividade (Liu et al., 2014). O sequestro de C pelo solo através do aumento dos teores de SOC é, por isso, uma importante forma de limitar a degradação ambiental nestas regiões (Liu et al., 2014). O estrume é o principal correctivo orgânico utilizado em explorações agrícolas. A sua utilização pode ser especialmente interessante nestas regiões onde o acréscimo de matéria orgânica produz um efeito benéfico sobre a estrutura e a fertilidade do solo, reduzindo também os riscos de erosão (Lozano-García e Parras-Alcántara, 2013). Técnicas de gestão do solo que combinem a restrição de processos de mobilização com a aplicação de correctivos orgânicos apresentam um interesse potencial para melhorar as propriedades do solo e diminuir as concentrações de CO₂ atmosférico pelo armazenamento de C na forma orgânica (Nieto et al., 2010).

 

Conclusões

Estudos de longo prazo são essenciais para avaliar a dinâmica espacial e temporal dos nutrientes no solo e para ajudar os agricultores e os decisores políticos na tomada de decisão em termos de gestão do solo. A definição de indicadores de degradação do solo baseados no SOC é considerado essencial para desenvolver estratégias de conservação para solos em risco, como é o caso de muitos solos da região Mediterrânica.

Este estudo mostrou que o SOC e o pH, ambos factores decisivos na produtividade das culturas, apresentam potencial para discriminar situações que merecem gestão diferenciada. No caso do SOC, o mapa de classes de gestão mostra que mais de 80% da área do campo experimental apresenta estabilidade temporal e mais de 50% da área apresenta baixos valores de SOC (<10 g kg^-1), demonstrando o potencial para a aplicação diferenciada de correctivos orgânicos. Outras estratégias para recuperação destes solos, como a aplicação de fertilizantes para aumentar a produtividade das pastagens em áreas pobres em SOC ou a distribuição balanceada de árvores, podem também dar um contributo relevante. Os resultados obtidos demonstram o efeito positivo das árvores e a sua importância na dinâmica dos nutrientes no solo em sistemas agro-silvo-pastoris. Sai reforçada a importância de uma correcta gestão da pastagem e do pastoreio animal em termos de sequestro de C como medida potencial para mitigar as alterações climáticas.

 

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelo programa FEDER através do “Operational Programme for Competitiveness Factors – COMPETE” e por fundos nacionais da FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia através dos projectos estratégicos PEst-C/AGR/UI0115/2011 e EXCL_AGR-TEC_0336_2012.

 

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Recebido/received: 2015.02.10

Aceite/accepted: 2015.05.22