Uso e manejo na relação quantidade/intensidade e adsorção de potássio em Vertissolo

Use and management in the quantity/intensity ratio and adsorption of potassium in a Vertisol

Lúcia H.G. Chaves*, Ana C.F. Vasconcelos, Washington B. de Lima, Josely D. Fernandes, Iêde B. Chaves e Jacqueline S. Mendes

Departamento de Engenharia Agrícola – Universidade Federal de Campina Grande, Avenida Aprígio Veloso, 882, CEP 58429-190, Campina Grande, Paraíba, Brasil

(*E-mail: lhgarofalo@hotmail.com)

RESUMO

A disponibilidade de K para as plantas dependeda quantidade de potássio trocável (Q) e de potássio em solução (I), e da relação Q/I. Objetivou-se avaliar a disponibilidade de K para culturas por meio das curvas Q/I e ajustar as isotermas de Langmuir e Freundlich a dados de adsorção de K em Vertissolo. Foram coletadas amostras de Vertissolo com vegetação natural arbórea (“mata”) e culturas anuais (“roçado”) em duas localidades. Dados de adsorção de K nas amostras foram usados para construir isotermas de adsorção, obtendo-se os coeficientes das equações de Freundlich e Langmuir. A curva Q/I foi obtida plotando-se QAK (I) versus ∆K (Q), e indicou a presença de baixos valores de K lábil. As amostras de Vertissolo do distrito de Galante apresentaram maior disponibilidade de K na solução desses solos. As isotermas de adsorção demonstraram que as quantidades de K adsorvidas aumentaram com a concentração da solução de equilíbrio. Os modelos de Langmuir e Freundlich são bem ajustados às amostras de solo. A amostra de solo coletada em Galante no sistema de uso e manejo “mata” apresentou maior capacidade máxima de adsorção de K. Em Queimadas, a retenção de potássio no “roçado” foi maior do que na “mata”. O sistema de uso e manejo do solo e o clima influenciam na capacidade máxima de adsorção de potássio do Vertissolo.

Palavras-chave: potássio disponível no solo, isotermas de Langmuir e de Freundlich, manejo e uso do solo

ABSTRACT

Keywords: potassium available in soil, Langmuir and Freundlich isotherms, soil management and soil use

INTRODUÇÃO

O potássio (K) é um macronutriente essencial na nutrição dos vegetais por ter inúmeras funções na planta, destacando-se, principalmente por ativar diversos sistemas enzimáticos, muitos deles participantes dos processos de fotossíntese e respiração (Ernani et al., 2007). No solo, o K pode ser classificado como: estrutural, não trocável, trocável e em solução, e quando somadas estas frações formam o K total (Tisdale et al., 1993). A maior parte do K no solo (98%) encontra-se na estrutura dos minerais primários e secundários (K estrutural), e só uma pequena fração se encontra em formas mais prontamente disponíveis para as plantas, seja ligado às cargas negativas (K trocável), seja na solução do solo (K solução) (Sparks, 2000).

A disponibilidade de K para as plantas depende, além da quantidade de K trocável (fator quantidade) (Q), do K em solução (fator intensidade) (I) (Beckett, 1964), e da relação entre essas formas (Q/I), que por sua vez determina a capacidade dos solos em manter determinada concentração de K na solução quando da absorção pelas plantas ou por perdas ocorridas no solo (Silva et al., 2000). Em termos de disponibilidade às plantas, é importante que exista uma relação Q / I alta, porém acompanhada de um valor alto do fator intensidade. A existência de um valor alto de I significa uma boa concentração de K na solução do solo, junto às raízes, e isso facilita sua absorção pelas plantas (Ernani et al., 2007). A curva Q/I é utilizada para descrever a disponibilidade de K no solo, levando em consideração a competição entre os iões de K, cálcio (Ca) e magnésio (Mg) pelos locaisde troca no solo (Lin, 2011).

Os solos paraibanos, pouco desenvolvidos pedogeneticamente pela natureza dos seus materiais de origem, pelas suas condições de drenagem e pela baixa precipitação a que estão sujeitos contêm, de um modo geral, minerais de argila do grupo 2:1, que apresentam locais de adsorção específicos para o K (Chaves e Kinjo, 1987), diminuindo sua disponibilidade para as plantas.

O fenómeno de adsorção é estudado a partir do uso de isotermas de adsorção, as quais descrevem a relação entre a massa do elemento adsorvido na superfície sólida e a concentração do elemento na solução de equilíbrio. Entre os modelos mais utilizados para se descrever a adsorção do K encontram-se os de Langmuir e de Freundlich (Sposito, 1989). A maior vantagem da equação de Langmuir sobre outras isotermas respeita a Capacidade Máxima de Adsorção (CMA) e da constante relacionada com a energia de adsorção estando estes valores relacionados com atributos do solo (Olsen e Watanabe, 1957; Novais e Smyth, 1999). A isoterma de Freundlich considera a não uniformidade das superfícies reais e, quando aplicado ao solo, descreve bem a adsorção iónica dentro de certos limites de concentração, acima dos quais apresenta limitações em estimar a quantidade dos iões no sistema (Barrow, 1978). Apesar das limitações dos dois modelos, eles constituem uma valiosa ferramenta para o estudo do transporte dos nutrientes no solo e procuram descrever o estado atual e prever o comportamento futuro do movimento dos elementos no perfil do solo.

A necessidade da adoção de sistemas de uso e manejo do solo que preservem ou promovam melhorias das suas características físicas, químicas e biológicas tem sido intensificada. Entretanto, esses sistemas agrícolas, substituindo as áreas naturais, implicam mudanças na estrutura e no funcionamento dos ecossistemas, causando modificações químicas e biológicas do solo. Se este processo de intervenção humana não for bem planejado pode levar a um processo de degradação dessas áreas.

Diante do exposto e tendo em vista que vários fatores interferem na disponibilidade de K para as plantas, objetivou-se, com este trabalho, avaliar a disponibilidade de K para culturas por meio das curvas Q / I e ajustar as isotermas de Langmuir e Freundlich a dados observados de adsorção de K em amostras num mesmo tipo de solo, Vertissolo, submetido a diferentes sistemas de uso e manejos.

MATERIAL E MÉTODOS

Os Vertissolos apresentam desenvolvimento vegetal restrito em consequência dos fenômenos de expansão e contração, em geral associados à grande atividade das argilas expansivas do tipo 2:1, que confere grande capacidade de movimentação do material constitutivo do solo. São solos de elevada capacidade de troca catiónica (CTC), elevada saturação em bases (eutróficos), com teores elevados de Ca e Mg, de reação (pH) neutra a alcalina. Ocorrem distribuídos em diversos tipos de clima, dos mais úmidos (com estação seca definida) aos mais secos, tendo grande expressão nas bacias sedimentares localizadas na região semiárida do nordeste brasileiro (EMBRAPA, 2006).

Três amostras compostas da camada arável (0-20 cm de profundidade), coletadas em cada área selecionada, foram destorroadas, secas ao ar e passadas em peneiras de 2 mm de malha; em seguida, foram caracterizadas, física e quimicamente, de acordo com EMBRAPA (2011), conforme mostram os resultados apresentados no Quadro 1.

Para avaliar a disponibilidade de K para as culturas e ajustar as isotermas de Langmuir e Freundlich aos dados observados de adsorção de K nas amostras de solo foi utilizado o método Batch de Laboratório (Casagrande e Soares, 2009). Neste método, quantidades conhecidas de solo e de solução contendo o ião K⁺ são colocadas em contato, sob agitação e por um período de tempo predeterminado, ao término do qual se admite que o sistema alcançou o equilíbrio da reação. A suspensão é filtrada ou centrifugada e a concentração do soluto remanescente é medida e subtraída da concentração inicialmente adicionada. A quantidade de soluto que foi subtraída da fase líquida é entendida como a proporção do soluto que foi adsorvida pela fase sólida. Trata-se de um método simples, rápido e replicável e, por isso, permanece como o método mais empregado em estudos de adsorção-dessorção (Casagrande e Soares, 2009).

Assim, para a obtenção das referidas isotermas, foram colocados num Erlenmeyer de 50 mL, 4 g de terra fina seca ao ar (TFSA) e 40 mL de solução contendo 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 e 4,0 mmol/L (C_o) de KCl. Estas amostras foram agitadas durante 1 h a 140 rpm; em seguida, as soluções sobrenadantes foram filtradas e obtidas suas concentrações (C_e) de K⁺ por meio de um fotômetro de chama. As concentrações de K adsorvidas foram consideradas como resultantes da diferença entre asinicialmente adicionadas (Co) e as remanescentes após o período de equilíbrio (Ce). A partir dos dados obtidos experimentalmente se construíram isotermas de adsorção, plotando-se a quantidade de K adsorvido na ordenada e a concentração na solução de equilíbrio na abscissa. Obtiveram-se os coeficientes das equações de Freundlich e Langmuir a partir das equações 1 e 2, a seguir:

a) Langmuir (Alleoni et al., 2009).

C – concentração de K na solução de equilíbrio, mg L^-1

b_L – adsorção máxima, mg g^-1

K_L – constante relacionada com a energia de ligação, L mg^-1 de K no solo;

b) Freundlich (Alleoni et al., 2009).

em que: x / m – quantidade de K adsorvida, mg g^-1 de solo

C – concentração de K na solução de equilíbrio, mg L^-1

b_F (= 1 / n) – estimativa do parâmetro de ajuste, adimensional

K_F – coeficiente de adsorção de Freundlich, L mg^-1de K

Os parâmetros da relação Q/I foram calculados conforme a metodologia descrita por Mielniczuk (1978). A quantidade de K adsorvida (∆K positivo) ou dessorvida (∆K negativo) em cada solo foi obtida pela diferença entre a concentração inicial (solução de tratamento) e final de K (solução de equilíbrio) (meq/100g). O quociente de atividade de potássio (QAK) foi calculado a partir das concentrações de K e de (Ca + Mg) da solução de equilíbrio conforme a seguinte equação 3:

QAK = K/(Ca+Mg)^1/2                                                                           (3)

em que: QAK – quociente de atividade de potássio (mmol/L)^1/2

K, Ca e Mg - correspondem às concentrações desses elementos na solução final após o equilíbrio, mmol/L.

A curva Q / I foi obtida plotando-se num gráfico QAK (I) versus ∆K (Q). A partir do ajuste das equações, foram determinados os valores do quociente de atividade de equilíbrio (QAKe), que corresponde ao QAK quando ∆K = 0. O Ke, que é a concentração de equilíbrio do K na solução do solo em função da quantidade de K trocável que contém, é dado pela equação 4:

Ke = QAKe × (Ca+Mg)^1/2                    (4)

em que: Ke – concentração de equilíbrio de k na solução do solo, mmol/L

QAKe - quociente de atividade de equilíbrio, (mmol/L)^1/2

(Ca+Mg) - concentração de Ca²⁺ e Mg²⁺ na solução final após o equilíbrio, mmol/L

Correlações lineares foram feitas para identificar as interações entre o QAKe, Ke, PTK e constantes das equações de Langmuir e Freundlich e os atributos químicos e físicos das amostras de solo (Silva e Azevedo, 2002).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As amostras do Vertissolo estudadas apresentam uma grande variação nas características físicas e químicas (Quadro 1), cujas diferenças estão relacionadas, provavelmente, com os locais onde foram coletadas e aos sistemas de manejos das áreas experimentais. Por exemplo, os teores de argila das amostras de solo coletadas na “mata” em Galante e Queimadas correspondem a 313,4 g kg^-1 e 555,6 g kg^-1, respectivamente; nestas mesmas amostras de solo apresentam 336,7 mg kg^-1 de P e 14,9 mg kg^-1 de P, respectivamente, além de outras diferenças.

Os valores de K disponível nas amostras de solo da “mata” e do “roçado” do município Queimadas e do “roçado” do distrito Galante foram classificados como medianos (0,12-0,20 cmol_c kg^-1), enquanto na amostra da mata do distrito Galante foi classificado como elevado (>0,20 cmol_c kg^-1), de acordo com Lopes e Guidolin (1989) (Quadro 1). Uma das razões para o maior valor de K disponível em Galante está, provavelmente, relacionada com o índice pluviométrico, uma vez que em Galante este índice é maior do que em Queimadas. Isso possibilita o aumento da presença da vegetação natural e, consequentemente, diminui a lixiviação do K, aumenta o teor de matéria orgânica, a qual pela decomposição, fornece K ao solo podendo ser absorvido pelas plantas e (Ernani et al., 2007; Brady e Weil, 2008).

De maneira geral, as amostras do Vertissolo, das áreas de “mata” e “roçado" apresentaram numa curvatura típica da relação Q/I de K (Figura 1), ou seja, duma curvatura na parte inferior, sendo linear na parte superior, como observado por outros autores (Beckett, 1964; Le Roux e Sumner, 1968; Chaves e Kinjo, 1987). Estas amostras apresentaram poucos valores de ΔK negativos (Figura 1), indicando por isso, a presença de baixos valores de K lábil nas amostras de solo, ou seja, baixa liberação de K em solução.

Os quocientes de atividade de equilíbrio (QAKe) variaram de 0,017 a 0,055 (mmol L^-1)^1/2 (Quadro 2), sendo os maiores valores observados nas amostras do Vertissolo do distrito de Galante, indicando maior disponibilidade de K na solução desses solos.

Solos com QAKe e Ke mais elevados geralmente possuem um poder tampão relativamente baixo (Chaves e Kinjo, 1987), como observado (PTK) especialmente na amostra do Vertissolo da “mata” de Galante do presente estudo (Quadro 2), o que garante maior proporção de K na solução do solo em relação ao K na fase sólida, cujo suprimento também dependerá da taxa de reposição. Por este motivo, na amostra da “mata” as adubações potássicas devem ser efetuadas em doses menores e mais frequentes, de modo a minimizar as perdas de K por lixiviação e até mesmo o consumo de luxo pelas plantas. Segundo Villa et al. (2004), um solo com baixo poder tampão de potássio (PTK) é preocupante para a agricultura, pois se o K for absorvido pelas plantas em cultivos sucessivos e nenhuma adição do elemento for realizada, as plantas poderão sofrer deficiência desse nutriente.

Ao contrário, o maior valor do poder tampão de K (PTK) foi observado na amostra de “roçado”, em Galante, ou seja, 6,82 (meq/100g) / (mmol L^-1)^1/2. Um valor elevado de PTK indica um fornecimento constante de K na solução do solo por períodos longos (Saleque et al., 2009), ou seja, o solo apresenta reserva de K suficiente para repor o elemento utilizado pelas culturas ao longo dos cultivos (Taiwo et al., 2010). A manutenção constante de K na solução do solo ocorre por meio de adsorção específica + adsorção não específica, quando as culturas são adubadas com o nutriente, ou, então, por meio de dessorção, que repõe naturalmente o K na solução do solo quando esse elemento é perdido do solo por lixiviação ou absorvido pela planta (Santos et al., 2013).

Observa-se ainda que a amostra de Vertissolo da mata em Queimadas apresentou maior valor de PTK do que a amostra de “roçado” neste distrito (Quadro 2), podendo exigir assim adubações em maiores quantidades. No entanto, estas adubações podem ser aplicadas com menor freqüência, visto que o solo possui maior capacidade de manutenção da atividade de K em solução, em virtude de se tratar de um solo argiloso, com maior CTC, ou seja, apresentando condições de maior adsorção de K no solo. Por isso, verificaram-se correlações indiretas da QAKe com CTC e diretas com pH, CE, P, MO e argila (Quadro 3), em especial no solo de Queimadas.

Os parâmetros da relação Q/I praticamente não apresentaram correlações com os teores de K, com exceção, da correlação de K com QAKe na amostra da “mata” em Galante (Quadro 3), indicando maior disponibilidade de potássio na solução dessa amostra de solo; a CTC influenciou, de forma indireta, o Ke e PTK da mesma amostra de solo da “mata” e o QAKe da amostra de “roçado”.

As isotermas de adsorção de K (Figura 1), correspondentes às amostras de Vertissolo de diferentes sistemas de uso e manejo e localidades estudadas do Estado da Paraíba, demonstraram que as quantidades de potássio adsorvidas por essas amostras aumentaram com a concentração da solução de equilíbrio. Os elevados coeficientes de determinação nestas isotermas, apresentadas no Quadro 4, indicam que os modelos de Langmuir e Freundlich são bem ajustados às amostras de solo estudadas, sendo que o primeiro modelo se adequou melhor às concentrações de K adsorvido que o modelo de Freundlich (Figura 1B).

Os parâmetros de ajuste das isotermas de Langmuir e de Freundlich para adsorção de K nestas amostras, ou seja, os resultados da capacidade máxima de adsorção de K (b_L), energia de adsorção (K_L), coeficiente de adsorção de Freundlich (K_F) e parâmetro de ajuste de Freundlich (b_F) para as amostras estudadas são apresentados no Quadro 4. Estes resultados variaram de uma amostra para outra, sendo que esta variação pode estar diretamente ligada com as características químicas e físicas das mesmas, as quais foram, provavelmente, influenciadas pelos locais e os sistemas de manejo das áreas experimentais.

A amostra de solo coletada no distrito de Galante no sistema de uso e manejo “mata” foi a que apresentou maior capacidade máxima de adsorção de K igual a 7,97 mg g^-1 (Quadro 4). Este fato deve-se, provavelmente, ao fato desta amostra apresentar maior valor de pH e maiores teores de K e matéria orgânica em relação às demais amostras. As outras características que podem ter influenciado esse parâmetro, por exemplo, CTC e teor de argila, foram menores na amostra da “mata”, em Galante, do que nas demais amostras estudadas. Entretanto, a correlação linear simples entre a capacidade máxima de adsorção (b_L) neste solo foi apenas significativa com a CTC e indiretamente com a condutividade elétrica (Quadro 5). O mesmo não ocorreu com a amostra do solo do “roçado” em Galante, ou seja, nenhum atributo influenciou significativamente a capacidade máxima de adsorção. Observando os teores de K trocável (Quadro 1) nas amostras de “mata” (0,31 cmol_c kg^-1) e do “roçado” (0,18 cmol_c kg^-1), em Galante, pode-se dizer que na área mais rica em K a energia de ligação é menor (0,0041 e 0,0167 L mg^-1, respectivamente) (Quadro 4).

Os menores valores observados da capacidade máxima de adsorção de K (b_L) nas amostras do Vertissolo no município Queimadas, apesar da maior energia de ligação (K_L) (Quadro 4), podem ter ocorrido devido aos elevadosteores de Ca e Mg no complexo de troca (Quadro 1), que podem ter neutralizado as cargas negativas do complexo coloidal do solo, uma vez que esses elementos apresentam maior eletroatividade do que o K.

De acordo com Alcântara e Camargo (2001), a utilização do coeficiente de adsorção K_F permite identificar a capacidade de um solo em reter determinado soluto, possibilitando a estimativa da extensão de seu movimento na fase líquida. Tal coeficiente pode ser entendido como uma medida da distribuição de equilíbrio entre as fases sólida e líquida de um solo e, assim sendo, quanto maior a capacidade adsortiva (b_F), maior será o K_F. No presente trabalho, isso ocorreu somente para a amostra de solo “roçado” em Galante (Quadro 4). Entretanto, não houve correlação significativa entre b_L e K_F em todas amostras estudadas.

Dentre os atributos das amostras do Vertissolo coletadas na área mata no distrito de Galante, somente areia e a constante relacionada à energia de ligação (K_L) apresentaram correlação (p < 0,01) com o coeficiente de adsorção de Freundlich (K_F) (Quadro 5). O fósforo, matéria orgânica, K_L e K_F influenciaram no parâmetro de ajuste b_F de Freundlich. Entre os atributos das amostras do “roçado” nesta mesma localidade, somente a CTC apresentou correlação direta (p < 0,01) com os K_L e K_F (Quadro4).A energia de ligação (K_L) não apresentou correlação significativa com atributos químicos, físico, e constantes K_F e b_F de Freundlich corroborando vários autores.

Os atributos químicos pH e CE das amostras do Vertissolo coletadas na área “mata” no município de Queimadas apresentaram correlação (p < 0,01) direta e indireta, respectivamente, com a energia de ligação (K_L). Os atributos físicos destas amostras, areia, limo e argila, também apresentaram correlação (p < 0,01) com esta energia (K_L), sendo que a relação da areia foi direta, enquanto limo e argila foram indiretas. Este mesmo comportamento ocorreu entre estes atributos físicos e o coeficiente de adsorção de Freundlich (K_F). A CTC apresentou correlação (p < 0,01) indireta com K_F (Quadro 4). Os valores de pH e CE das amostras do “roçado” se correlacionaram (p < 0,05) e (p < 0,01), respectivamente, de forma direta com os parâmetros de adsorção de K (K_Le b_L). Os demais atributos, CTC, P, MO, areia e argila se correlacionaram (p < 0,01) com os parâmetros K_L e b_Le K_F.

CONCLUSÕES

A curva quantidade-intensidade das amostras de Vertissolo analisadas neste estudo indicou a presença de baixos valores de potássio lábil nas amostras de solos.

As isotermas de adsorção de potássio demonstraram que as quantidades de potássio adsorvidas nas amostras de solo aumentaram com a concentração da solução de equilíbrio. Os elevados coeficientes de correlação nestas isotermas indicam que os modelos de Langmuir e Freundlich são bem ajustados às amostras de solo estudadas, sendo que o primeiro modelo se adequou melhor às concentrações de potássio adsorvido que o modelo de Freundlich.

A amostra de solo coletada no distrito de Galante, no sistema de uso e manejo “mata” apresentou a máxima capacidade de adsorção de potássio. Em Queimadas, a retenção de potássio no “roçado” foi superior ao da “mata”.

O sistema de uso e manejo do solo e o clima influenciam na capacidade máxima de adsorção de potássio do Vertissolo.

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Recebido/received: 2019.03.20

Aceite/accepted: 2019.06.27