manejo da acidez do solo a curto e a longo prazos1
Propaganda
ENCARTE TÉCNICO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 MANEJO DA ACIDEZ DO SOLO A CURTO E A LONGO PRAZOS1 Keith Helyar2 INTRODUÇÃO O Os sistemas vegetais usam, portanto, a energia acumulada através da fotossíntese para contrabalançar a lixiviação de nutrientes e para criar um pool de nutrientes retidos na matéria orgânica do solo. A mesma energia, porém, comanda os ciclos do C e do N orgânicos, que podem ser a fonte da adição líquida de H+ ao solo se alguns compostos, especialmente nitratos e ânions orgânicos, são perdidos nas ciclagens. objetivo a curto prazo do manejo da acidez do solo é lidar com o pH da superfície do solo de modo a interromper a acumulação de quantidades de Al, Mn e H+ capazes de causar significativas perdas econômicas na produção de plantas ou de animais. A longo prazo, o assunto é mais amplo. É preciso responder: o Nos últimos 20 anos vem sendo desenvolvida uma sistema de manejo está favorecendo o desenvolvimento e a melhor compreensão sobre as fontes do balanço positivo de manutenção de um solo fértil ou está H+ aos solos através dos ciclos bioló+ causando a acidificação progressiva do gicos do C e do N e do ácido carbônico O balanço positivo de H nos perfil do solo e a perda da fertilidade? formado quando CO 2(g) reage com ecossistemas agrícola e florestal A redução no pH do solo está água, conforme as reações CO2 + H2O origina-se do ácido carbônico em associada com a perda da alcalinidade Û H2CO3 Û H+ + HCO3- (HELYAR ou da capacidade de neutralização de pH > 6,0 e de ácidos produzidos e PORTER, 1989; VERBURG et al., ácidos, perda das reservas de nutrien2003). O balanço de H+ é zero em ciclos pelos ciclos de C e N a qualquer tes minerais e menor capacidade de fechados, mas a acumulação, a depH de solo. troca de cátions e, conseqüentemente, pleção ou o transporte para dentro ou com menor habilidade em reter cátions para fora de um sistema das formas arrastados pela lixiviação. Num sistema solo-planta ideal, do elemento participante do ciclo através de reações que conteores alto ou ótimo de nutrientes seriam mantidos em todas somem ou produzem H+ levam ao balanço positivo ou negativo as profundidades na zona radicular, e o pH em valores nos de H+. Os saldos positivos de H+ resultantes dos ciclos do C, quais seriam evitados problemas de pH baixo (toxidez de Al, do N e do ácido carbônico-CO2(g) não se acumulam significaMn e H+) ou de pH alto (deficiência de Zn, Cu, B, Fe e P e tivamente no solo (VLAMIS, 1953), porque o H+ é consumido toxidez de bicarbonato). Em geral, esses problemas são evita- em reações de dissolução de minerais ou é adsorvido na forma dos com pHCa (pH em uma proporção de 1:5 de solo:solução covalente em sítios CTC dependentes do pH na matéria 0,01 M CaCl2)1 na faixa de 5,0 a 7,0. Além disso, se o nível de orgânica, minerais de argila ou óxidos de ferro, alumínio e fertilidade é baixo, o sistema ideal deve ter a capacidade de manganês. Esses processos de acidificação (intemperismo acumular nutrientes que são adicionados por fertilizantes ou ácido) liberam cátions e ânions nutrientes para a solução. chuvas ou que são mobilizados por intemperismo ácido dos Um sistema eficiente incorpora os íons liberados no ciclo minerais do solo. Esses nutrientes podem ser armazenados biológico, mas em um sistema ineficiente, os íons podem ser no pool de nutrientes que participam do ciclo biológico (matéria perdidos por lixiviação, deste modo diminuindo a fertilidade orgânica, íons trocáveis, minerais fracamente solúveis). A do solo. A relação desses processos de ciclagem com o desenabsorção de nutrientes pelas plantas serve para contra- volvimento de solos férteis e inférteis é tratada com mais balançar a lixiviação de nutrientes abaixo da zona radicular. detalhes por Helyar (2001). Esta medida de pH dá resultado quase idêntico ao utilizado no Brasil, de 2,5 solo:1 solução CaCl2 0,01M. 1 1 2 A compreensão quantitativa dos ciclos orgânicos do C e do N, do ciclo do ácido carbônico e dos processos de transporte associados a estes ciclos (como, por exemplo, a lixi- Palestra apresentada no 4o Simpósio sobre Rotação Soja/Milho no Plantio Direto, em Piracicaba-SP, julho/2003. Wagga Wagga Agricultural Institute, NSW Agriculture, PMB, Wagga Wagga, NSW, 2650, Austrália. Telefone: 61-2-6938-1854, e-mail: [email protected] ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 1 viação, a absorção e o transporte pelas plantas dos nutrientes até a superfície do solo) está agora em um estádio que permite simular o efeito das taxas de adição de ácido e de álcali na fertilidade do solo ao longo do seu perfil. O presente trabalho descreve os processos-chave e examina os efeitos de diferentes manejos de solo e de sistemas de produção agrícolas e florestais sobre o pH e a fertilidade do solo. CICLO DO NITROGÊNIO Amonificação R-NH2 + H+ ® NH4+ + R (1) Nitrificação NH4+ + 2O2 ® NO3- + H2O + 2H+ (2) Amonificação + Nitrificação PRINCIPAIS FONTES DE ÁCIDO E REAÇÕES DE INTEMPERISMO RESPONSÁVEIS POR CONSUMIR H + R-NH2 ® NO3- + H2O + R + H+ (3) Redução do nitrato a proteína e desnitrificação Redução de nitrato (plantas e microrganismos) 1. Fontes de H+ As fontes de ácido já foram discutidas em detalhes em publicações anteriores (HELYAR e PORTER, 1989; VERBURG et al., 2003). Em resumo, a mineralização e a nitrificação de N da matéria orgânica (e também dos fertilizantes nitrogenados amoniacais) resultam na produção de ácido nítrico no ciclo do N (Figura 1) e a produção de ácidos orgânicos em plantas e em microrganismos (como, por exemplo, no ciclo do ácido tricarboxílico durante o metabolismo dos carboidratos) é a principal fonte de H+ no ciclo do C orgânico. Também ocorrem processos alcalinos nesses ciclos (como a redução de nitratos em plantas, a oxidação microbiana de ânions orgânicos em solos ou a oxidação de ânions orgânicos pela queima de matéria orgânica), de tal modo que os ciclos fechados são neutros com relação à adição de H+. Já a adição líquida de ácido pode ocorrer se os produtos das reações ácidas forem removidos (ou acumulados) antes que ocorram as reações de balanceamento alcalinas. As principais reações, que não as de simples dissociação-associação, são dadas a seguir: NO3- + R(COOH) + 4H2 ® NH30 + 3H2O + RCOO- (4) Desnitrificação 2NO3 + 2H - + + 4H2 - 5H2O - H2O N2 (5) CICLO DO CARBONO Síntese de ácidos orgânicos (ciclo de ácido tricarboxílico): (CH2O)n + ¾ O2 ® (CH2O)n-1 COOH + ½ H2O (6) Oxidação de ânions orgânicos: CH3(CH2)(x-2)COO- + K+ + (1½ x - 1)O2 ® K+ + OH- + xCO2(g) + (x - 1)H2O (7) sendo x o número de átomos de carbono na molécula do ânion orgânico. N = nitrogênio N-NO3- = N-nitrato N-NH4+ = N-amônio M.O. = matéria orgânica remoção do produto (permanente) adubo nitrogenado acidificante (permanente) N 2O + H2 leguminosas e trevo fixam N adubo nitrogenado amoniacal erosão da superfície do solo contendo M.O. (permanente) amônio é oxidado a N-NO3- plantas absorvem N-NO3- nitrificação produz N-NO3- mineralização da M.O. produz N-NH4+ lixiviação de N-NO3(permanente) Figura 1. Representação dos processos de acidificação do solo. Os processos assinalados como permanente significam que a acidificação por eles causada é permanente. 2 ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 Dissociação/associação de ácidos orgânicos: (CH2O)n COOH Û (CH2O)n COO- + H+ (8) é dissociado significativamente. O aumento de ácido carbônico ocorre pela reação da água com o CO2(g) proveniente do ar do solo em resposta à redução das concentrações de bicarbonato e carbonato da solução do solo causada pela lixiviação com água contendo baixo teor de carbonatos (como, por exemplo, a água de chuva em equilíbrio com CO2(g) atmosférico e com pH normalmente próximo de 6,0). As reações relevantes são: Esses processos são quantitativamente relacionados com a quantidade de C e de N ciclados biologicamente. Assim, em geral, sua importância como fontes de ácido varia com o pH do solo similarmente ao efeito do pH do solo sobre a taxa de crescimento da planta. Esta generalização, no entanto, não é verdadeira para valores muito baixos de pH onde a taxa de CO2(g ar do solo) + H2O Û H2CO3 (9) nitrificação (ciclo do N) cai muito mais rapidamente que a de desenvolvimento das plantas (ciclo do C), embora os organisAdição líquida de H+ H2CO3 Û HCO3- + H+ proveniente de CO2(g) mos responsáveis pela nitrificação (BRAMLEY e WHITE, com pHCa entre 5,5 e 7,4 HCO3- Û CO32- + H+ (10) 1989) e as plantas variem na tolerância a solos ácidos. Além + disso, em sistemas agrícolas, as taxas de adição de H são O equilíbrio entre essas reações depende do pH do altas quando os ânions dos ácidos adicionados são removidos do sistema (como, por exemplo, por lixiviação de nitrato ou solo e da pressão parcial do CO2(g) no ar do solo. Além disso, a última varia bastante, desde CO2(g) remoção de ânions orgânicos em proatmosférico até mais de 100 vezes a dutos) ou acumulados no sistema (por As diferentes reações ácidas de pressão atmosférica parcial, dependenexemplo, aumentos na matéria orgânica intemperismo consomem H + em do principalmente da intensidade da do solo em pastagens produtivas ou respiração microbiana mais a respiração aumentos na biomassa de uma floresta). diferentes valores de pH radicular no solo. A remoção de íons As taxas normais de adição de ácido dependendo da solubilidade dos bicarbonato e carbonato por eluviante através dos ciclos do C e do N estão minerais presente nestes pHs. + -1 -1 relativamente diluído resulta em adição em torno de 2 a 5 kmol de H ha ano líquida de H+ ao solo proporcionalmente (equivalentes a 100 a 250 kg de CaCO3 -1 -1 ha ano ). Em casos extremos, com alto uso de fertilizantes à remoção líquida de íons carbonato. A quantidade de H+ nitrogenados, as taxas de adição de ácido podem atingir adicionada devido à eluviação, de acordo com a variação de 20 kmol de H+ ha-1 ano-1 ou o equivalente a 1.000 kg de pH do solo, é mostrada na Figura 2. CaCO3 ha-1 ano-1 (HELYAR e PORTER, 1989; HELYAR et Observe que acima de pHCa 7,4 não há adição de H+. al., 1990). Convém notar que a acidificação dos solos Isto ocorre porque acima desse pH presume-se que CaCO3 pelos fertilizantes nitrogenados está relacionada com a esteja presente, de tal modo que em pHCa > 7,4 as reações 11 proporção do N aplicado que é perdido por lixiviação e 12 mostradas abaixo se equilibram umas às outras. A eluapós a nitrificação (Tabela 1). Assim, os valores dos viação estimula tanto a dissolução de CaCO3 como a reação índices de acidez devem ser revistos para adequá-los do CO2(g) com a água. O álcali proveniente da dissolução de aos conhecimentos modernos dos processos de acidifiCaCO3 e da hidratação do íon carbonato equilibra o ácido cação do solo. gerado pela dissociação de ácido carbônico. Assim, o equilíbrio Tabela 1. Índice de acidez de alguns fertilizantes e da FBN em entre CO2(g) do ar do solo e CaCO3 da fase sólida mantém o função da lixiviação do N-NO3-. pH constante. } kg CaCO3/kg N Fertilizantes Sulfato de amônio Fixação biológica de N NH3(g), Aqua amônia Nitrato de amônio Uréia Nitratos de Na, Ca e K DAP MAP lixiviação de N-NO3 (%) CaCO3 Û CO32- + Ca2+ (11) 0 100 CO32- + H2O Û HCO3- + OH- 3,4 0 0 0 0 - 3,4 1,7 3,4 7,6 3,4 3,4 3,4 3,4 0 5,9 7,6 CO2(g) + H2O Û HCO + H A adição líquida de ácido carbônico ao solo pode ser significativa entre o pH no qual CaCO3 está saturado (próximo de pHCa 7,4) e pHCa 5,5, abaixo do qual o ácido carbônico não 3 + } As reações se equilibram acima de pHCa 7,4 (12) 2. Reações de intemperismo ácido O H+ de qualquer fonte não se acumula significativamente no solo. O H+ adsorvido nas argilas como íon trocável as altera pela dissolução em espaços de tempo muito curtos (de segundos a minutos) em argilas Al (VLAMIS, 1953). Assim, o H+ não se acumula no solo em uma quantidade significativa. O H+ reage com os minerais do solo ou é adsorvido na forma covalente em sítios de troca de cátions dependentes do pH na matéria orgânica do solo, minerais de argila ou óxidos de alumínio, ferro e manganês. Abaixo são mostradas reações que ocorrem normalmente. ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 3 (> Fe) (> Fe) > Al O K - + (tr) (> Mn) + H Û > Al - OH + K+(sol) (> Mn) (18) + Outras reações de intemperismo, além daquelas dos minerais de argilas e carbonatos, também ocorrem em solos nos quais esses minerais estão presentes. Elas podem ser importantes para tamponar o pH do solo em valores abaixo do pH no qual os carbonatos se dissolvem e acima do pH no qual as argilas de aluminossilicatos secundárias se dissolvem. Exemplos de minerais que são mais facilmente intemperizados do que os minerais de argilas secundárias são: a hornblenda: [Ca 3 Na 2( Mg,Fe) 8 (Al,Fe) 4 Si 14 O 44 (OH)4], a augita: [CaO.2(Mg,Fe)O(Al, Fe)2 O3. 3SiO2] e Figura 2. Efeitos do pH e da lixiviação sobre a adição de ácido carbônico em diferentes pressões parciais de CO 2(g) no ar do solo ( - = 1 x, = 5 x, = 10 x e = 25 x a pressão atmosférica CO2(g) de 0,0003 atm) e sobre as taxas de remoção de íons Al + H+ () das camadas do solo comparadas com as taxas de adição de H+ proveniente dos ciclos do C orgânico e do N orgânico (- - - -) para um sistema de cultura/pasto com 550 mm de chuva. (1) Exemplos de intemperismo ácido de minerais do solo: · Carbonato de cálcio CaCO3 + 2H+ Û Ca2+ + CO2(g) + H2O (13) · Illita K0,6Mg0,25Al2,3Si3,5O10(OH)2 + 8H+ + 2H2O Û 0,6K+ + 0,25Mg2+ + 2,3Al3+ + 3,5H4SiO40 (14) · Caulinita Al2Si2O5(OH)4 + 6H+ Û 2Al3+ + 2H4SiO4 + H2O (15) · Hidróxido de alumínio Al(OH)3 + 3H+ Û Al3+ + 3H2O (16) (2) Adsorção específica de H+ em sítios de CTC dependentes do pH: · Matéria orgânica RCOO-K+(tr) + H+ Û RCOOH + K+(sol) (17) · Minerais de argila e arestas dos cristais de óxidos de alumínio, ferro e manganês 4 a olivina: (2FeO.SiO2; 2MgO.SiO2). Esses e outros minerais mais básicos ocorrem em maiores concentrações em materiais parentais básicos do que em ácidos (FITZPATRICK, 1980) e são mais solúveis do que os minerais de argilas secundárias (LINDSAY, 1979; BARMAN et al., 1992). INTERAÇÕES ENTRE pH, TAXAS DE ADIÇÃO DE H +, LIXIVIAÇÃO E REAÇÕES DE INTEMPERIZAÇÃO ÁCIDA As interações entre lixiviação, taxas de adição de H+, consumo de H+ nas reações de intemperização ácida e pH atual do solo determinam o modo como o pH do solo e a composição do solo mudam ao longo do tempo. 1. O poder tampão do pH A soma de todas as reações com ganho de H+ resulta numa curva tampão normal, com assíntotas nos extremos mais baixos e mais altos e uma inclinação aproximadamente linear entre as assíntotas, que descreve o tamponamento característico do solo quanto ao pH (MAGDOFF e BARTLETT, 1985). Esta curva pode ser definida no laboratório. As reações envolvidas no estabelecimento da curva (Equações 13 a 18) são razoavelmente bem compreendidas (CONYERS et al., 2000). A curva geralmente tem uma assíntota em pH baixo, entre 3,5 e 4,0, no qual os minerais de alumínio tamponam fortemente o pH do solo (Equações 14 a 16). A assíntota em pH alto ocorre em pHCa 7,4, no qual o carbonato de cálcio ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 tampona o pH fortemente (Equações 11 e 12). Na faixa de pH entre 3,5 e 7,4 também ocorre a reação de H + com sítios pH dependentes da CTC (Equações 17 e 18). As taxas de adição líquida de ácido proveniente dos ciclos do C e do N neste sistema agrícola têm valor médio de 3 kmol H+ ha-1 ano-1 (Figura 2). Antes de discutir os processos de lixiviação e de adição de ácido é preciso considerar a interação entre a dissolução de minerais e a solução lixiviada. A CTC varia quase linearmente para um dado solo com a mudança de pH. A tendência linear reflete a dissociação e a associação de muitos grupos de ácidos fracos na matéria 2. Reestabelecimento do equilíbrio químico duorgânica e nos minerais com valores de pK (o pH no qual rante e entre fluxos de lixiviação metade do H está dissociada e metade permanece ligada de O efeito da lixiviação sobre o intemperismo é afetado forma covalente) distribuídos ao longo de toda a variação de pH. As irregularidades na tendência linear têm probabilidade se as concentrações de equilíbrio dos íons são mantidas ou de representar a dominância de um grupo específico de ácidos não na solução do solo durante a lixiviação. O modelo utiliza fracos naquele pH, ou a ausência de grupos de ácidos fracos um fator de diluição que leva em consideração a proporção do volume total de solução do solo que com valores de pK no pH no qual a + linearidade é perturbada. A taxa real As quantidades de H adicionadas não restabelece completamente o equilíbrio com os minerais do solo e com o de mudança da CTC com o pH (a incliaos ecossistemas variam CO2(g) do ar do solo, entre as alíquotas nação da relação linear) varia entre principalmente com a taxa de solos de acordo com a densidade ou a seqüenciais de lixiviação. A taxa de disconcentração dos sítios de carga delixiviação e o pH do solo (ácido solução de diferentes minerais durante pendentes do pH no solo. As principais o restabelecimento de uma solução carbônico), com a exportação ou variáveis com respeito a isso são a masaturada próximo da superfície do miacumulação de ânions orgânicos téria orgânica do solo, as concentrações neral depende de fatores tais como: (ácidos do ciclo do C orgânico) e de argila e de óxidos de alumínio e ferro taxa de difusão de íons para fora da no solo e, conseqüentemente, o número superfície do mineral, propriedades de com a quantidade de nitrato de sítios nos quais as Equações 17 e adsorção dos íons envolvidos e quanperdida por lixiviação e por erosão 18, respectivamente, operam. tidade de mineral, sua área de supersuperficial. fície e a uniformidade de distribuição A curva tampão de pH é uma do mineral no solo. O tempo necessário + expressão estática do modo como as reações com H variam para atingir o equilíbrio em um solo úmido é provavelmente através da escala de pH. O modo como duas reações que controlam as assíntotas do pH da curva tampão interagem de dias,+ mais do que de segundos ou de minutos (como ocorre com a lixiviação em diferentes valores de pH do solo é para H ), mas não de semanas ou de meses (BARMAN et mostrado na Figura 2. As reações são a dissolução de minerais al., 1992; GRINSVEN et al., 1992). de aluminossilicato e óxidos de alumínio (Equações 14 a 16) e a reação de CO2(g) com água para produzir ácido carbônico e seus produtos de dissociação (Equações 9 e 10). Os dados são para os 10 cm superficiais de um solo do tipo Kandosol (ISBELL, 1996; Alfisol na taxonomia norte-americana) em Wagga Wagga (Austrália), onde a precipitação pluviométrica anual é de 550 mm, em média, dos quais 210 mm descem abaixo da camada de 10 cm de profundidade a cada ano. O modelo utilizado para produzir as curvas (HELYAR, 2002) é aplicado a um sistema de pastagem dominado pela gramínea perene Phalaris aquatica, o trevo subterrâneo (Trifolium subterraneum) e o azevém anual (Lolium rigidum). São mostradas estimativas do total de Al3+ e H+ removidos da camada do solo pelo eluviante que passa à camada de 10 cm e o total transportado de OH-, HCO3- e CO32-. Esses cálculos levam em consideração o volume de lixiviado, a solubilidade de vários minerais e o nível de equilíbrio mantido entre as superfícies dos minerais e a solução eluviante. A faixa de pH (3,5 a 7,5) engloba o pH da maioria dos solos usados para a agricultura e a silvicultura. Acima de pHCa de cerca de 7,4, o CaCO3 interage com adições de H+ e OH(Equações 11 e 12) para tamponar o pH entre 7,4 e 8,2, dependendo da força iônica da solução, da concentração de Ca2+ na solução e da concentração de CO2(g) no ar do solo. O tamponamento da concentração de cátions na solução através da troca de cátions é muito rápido, de tal modo que as concentrações de equilíbrio serão aproximadas, mas não alcançadas, em um período de tempo muito curto. Esta taxa de equilíbrio provavelmente é muito lenta para manter o equilíbrio entre a maior parte da solução do solo e as superfícies do mineral durante a lixiviação e, portanto, para um dado fluxo de lixiviação, a concentração dos íons removidos será maior na primeira alíquota de solução do solo deslocada do que em alíquotas subseqüentes. No entanto, se decorrerem alguns dias antes que ocorra o próximo fluxo de lixiviação, a solução do solo provavelmente terá restabelecido o equilíbrio com as superfícies do mineral (desde que haja uma distribuição razoavelmente homogênea dos minerais no solo), maximizando deste modo o efeito da lixiviação sobre a taxa de intemperismo no início do próximo fluxo de lixiviação. Portanto, em áreas com altas precipitações pluviométricas o fator de diluição é para ser menor do que nos locais onde os fluxos de lixiviação são menores e separados por longos períodos sem lixiviação. Os dados na Figura 2 são para taxa média de 210 mm de lixiviado por ano em 10 cm, com pressão parcial de CO2(g) a 5, 10 e 25x as pressões atmosféricas parciais (0,0003 atm), e presumindo-se que, na média, os produtos dos íons para os vários equilíbrios na solução lixiviada foram mantidos na ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 5 metade das concentrações saturadas (isto é, um fator de diluição de 0,5). O fator de diluição de 0,5 pode ser muito pequeno para os cátions trocáveis e o valor para o equilíbrio de CO2(g) precisa de mais pesquisas. A pressão parcial do CO2(g) do ar do solo aumenta com a profundidade, inversamente ao que ocorre com a pressão parcial de O2(g), que diminui (GLINSKI e STEPNIEWSKI, 1984), de tal modo que é normalmente máxima na base da zona radicular. As pressões parciais de CO2(g) de 100 vezes o CO2(g) atmosférico (0,03 atm) foram estabelecidas para o nível inferior da zona radicular no modelo aqui mostrado. Um gradiente com a profundidade foi sobreposto à pressão parcial de CO2(g) máxima que reduziu a concentração a valores relativos de 0,02, 0,25, 0,8 e 1,0 a 1, 15, 50 e > 70 cm de profundidade, respectivamente. as adições de ácido à superfície do solo provenientes dos ciclos do C e do N e do ácido carbônico, além da manutenção de atividade biológica alta o suficiente para sustentar as taxas de lixiviação de OH-, HCO3- e CO32- para neutralizar os solos ácidos em subsuperfície e qualquer adição líquida de ácido nas camadas mais inferiores do perfil do solo. 4. Lixiviação em pHCa < 5,0 O resultado da dissolução de aluminossilicatos ou de óxidos de alumínio é alcalino e não ácido, porque é consumido H+ no processo de dissolução (Equações 14 a 16). Então, se a dissolução for estimulada somente pela lixiviação dos íons dissolvidos na superfície dos minerais, o pH subiria para valores próximos de pHCa 5,0 a 6,0, com baixas taxas de intemperismo de minerais de alumínio. Já com adição líquida de H+ proveniente dos ciclos do C e do N orgânicos, o sistema 3. Lixiviação em pHCa > 6,0 se equilibrará em valores de pHCa abaixo de 5,0, onde a taxa Entre pHCa 6,0 e 7,4 as taxas de adição de ácido de lixiviação dos íons Al mais H+ é igual à taxa de adição de proveniente dos ciclos do C e do N são H+ proveniente dos ciclos do C e do N. da mesma ordem da taxa de adição do O manejo do pH do perfil do solo Em muitos casos, as taxas líquiácido carbônico ao solo após a lixiviação das de adição de ácido proveniente dos envolve o gerenciamento das por 210 mm de eluviante pobre em íons ciclos do C e do N (2 a 5 kmol ha-1 interações entre as taxas de adição carbonato (como, por exemplo, a água ano-1, Figura 2) são semelhantes às + de H , as reações de de chuva). Neste caso, a perda líquida taxas de perda dos íons Al mais H+ em de íons carbonato e de íons hidroxila é valores de pH próximos de 4,0 e 4,25 intemperismo, pH do solo e os igual ao H+ adicionado à medida que a processos de transporte (lixiviação, (isto é, o efeito alcalino do intempesolução do solo se reequilibra com o rismo dos minerais de alumínio é igual erosão laminar, absorção e excreção à taxa de adição de H+, como mostrado CO2(g) do ar do solo (Equações 9 e 10). Assim, neste intervalo de pH, as taxas de nutrientes pelas plantas em na intersecção das curvas na Figura 2). totais de adição de ácido podem ser altas Portanto, a dissolução de minerais de diferentes profundidades). porque a adição de H+ proveniente do alumínio tampona as taxas normais de ciclo do ácido carbônico se acrescenta adição de ácido proveniente dos ciclos ao H+ obtido a partir dos ciclos do C e do N orgânicos. do C e do N neste intervalo de pH. Os dados obtidos através Observe que a taxa de adição do ácido carbônico é de um experimento de longa duração com rotação de culturas altamente afetada pela concentração de CO2(g) no ar do solo no solo do tipo Kandosol utilizado na Figura 3 propiciam um e, conseqüentemente, com a respiração microbiana e radicu- bom exemplo de tal processo de equilíbrio. lar do solo. Uma segunda característica a ser observada é Neste experimento, os diferentes tratamentos de rotaque, embora a perda de OH-, HCO3- e CO32- da camada ção foram caracterizados por diferentes taxas de adição de superficial deixe esta camada mais ácida, a adição desses ácido. Estas diferentes taxas resultaram de diferentes produíons à camada abaixo representa um acréscimo alcalino. tividades das plantas, diferentes condições de teores de N no Portanto, a concentração de CO2(g) no ar do solo também solo e de fornecimento de N (fixação de N por leguminosas determina a taxa na qual o álcali é transportado no lixiviado ou fertilizante nitrogenado) e diferentes proporções entre culpara a camada de solo imediatamente abaixo. Conseqüen- turas ou pastagens leguminosas e culturas não-leguminosas. temente, esses íons são importantes contribuintes neste As taxas de acidificação semelhantes em todos os tratamentos intervalo de pH para melhorar a acidez subsuperficial dos ao longo dos 10 primeiros anos parecem ter ocorrido devido solos. Assim, fica claro que o pH e o CO2(g) afetam as taxas ao efeito dominante da adição de ácido proveniente do ciclo de transporte dos efeitos de álcali e de ácido para as camadas do N orgânico. O local inicialmente apresentava alto teor de inferiores. N (0,15%), com uma história anterior de 17 anos de pastaA mensagem prática é que a manutenção do pH gem de trevo subterrâneo consorciado com gramínea anual em valor igual ou acima de 6,0 e a manutenção de um (HEENAN et al., 1994). alto nível de atividade biológica na superfície do solo A mensagem prática é que espécies tolerantes são necessárias para melhorar, aos poucos, os subsolos podem ser usadas para obter produtividades próximas ácidos (isto é, alcançar o transporte de álcali para as dos limites do potencial de produtividade impostos por camadas inferiores de cerca de 2 a 3 kmol OH- ha-1 ano-1, fatores não manejáveis como clima e profundidade do equivalente a 100-150 kg CaCO3 ha-1 ano-1). Isto envolve solo. Porém, a lixiviação líquida de íons Al e H + em o uso de calcário, ou de corretivos equivalentes, para neutralizar profundidade no perfil do solo leva à adição líquida de 6 ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 A mensagem prática é que deve ser aplicada calagem suficiente para neutralizar a adição de ácido à zona radicular proveniente dos ciclos do C e do N, de tal modo que o pH do perfil do solo permaneça entre 5,0 e 6,0. Este intervalo de pH é ótimo tanto para permitir o cultivo de uma ampla gama de espécies de plantas quanto para minimizar a intemperização líquida dos minerais do solo. Figura 3. pH da camada de 0-10 cm de um solo do tipo Kandosol com quatro tratamentos [ trigo contínuo, cultivo convencional, queima dos restos culturais, fertilizante nitrogenado 0 ( ) ou 100 kg N ha-1 ano-1 ( ); - - - ( ) trigo/trevo pastejado, cultivo convencional; ( ) trigo/ lupinus, cultivo convencional, queima dos restos culturais] (HEENAN et al., 1994). ácido às camadas mais profundas do solo se elas estavam inicialmente em um pH mais alto do que o da superfície do solo (reverso das Equações 14 a 16). Portanto, a utilização da combinação de tolerância da planta ao Al da solução, para manter a produção da planta, e a dissolução de aluminossilicatos e óxidos de alumínio, para manter o pH do solo, resulta em acidificação do subsolo a longo prazo. Um atributo positivo da tolerância ao Al é que ela permite grandes e rentáveis taxas de crescimento da planta em perfis de solo com camadas altamente ácidas em subsuperfície durante o período necessário para o transporte líquido de OH-, HCO3- e CO32- provenientes das camadas superficiais que receberam calagem para neutralizar a acidez em subsuperfície e no subsolo. Para sistemas de produção nos quais o custo da calagem proíbe seu uso, devem ser feitos todos os esforços para reduzir a adição líquida de ácido proveniente dos ciclos do C e do N orgânicos, de tal modo que a taxa de transporte de ácido ao longo do perfil seja minimizada. 5. Lixiviação entre pHCa 5,0 e 6,0 As taxas de lixiviação de íons Al e H+ e de íons OH-, HCO3 e CO32- são muito baixas neste intervalo de pHCa entre 5,0 e 6,0 (Figura 2); portanto, tanto a dissolução de aluminossilicatos e de óxidos de alumínio como a adição de ácido carbônico são pequenas. É um intervalo de pH caracterizado por uma baixa taxa de intemperismo. Nestes valores de pH as concentrações de Al em solução não afetam o crescimento das plantas, mesmo as altamente sensíveis à toxidez de alumínio. O intemperismo ou a dissolução de aluminossilicatos e de óxidos de alumínio neste intervalo de pHCa são conduzidos por adições líquidas de H+ através da ciclagem biológica de C e de N; portanto, a dissolução líquida desses minerais pode ser praticamente interrompida pela aplicação de calagem suficiente para reduzir as adições líquidas de H+ a zero. - 6. pH e adição de ácidos através da ciclagem biológica do C e do N Os ecossistemas naturais são caracterizados pelo uso eficiente do N, com restrita lixiviação de nitrato e mínima adição líquida de ácido no ciclo do N orgânico (supondo que o N seja adicionado aos sistemas naturais pela fixação biológica de N2(g)). Os sistemas naturais são também caracterizados pela remoção limitada de matéria orgânica contendo ânions orgânicos, de modo que a adição de ácido relacionada com ela é mínima. Portanto, em sistemas naturais, a principal fonte de adição de ácido proveniente da ciclagem orgânica de C e de N está relacionada com a acumulação de ânions orgânicos na biomassa, na matéria orgânica do solo e na serapilheira. Uma vez que esses pools tenham atingido o ponto de equilíbrio (steady-state) em um dado ecossistema, a adição de ácido proveniente da ciclagem orgânica do C e do N fica então limitada a valores pequenos, proporcionais à perda de ânions orgânicos e de nitrato do sistema. Os sistemas naturais, portanto, usam ácidos provenientes dos ciclos do C e do N para acumular um pool de nutrientes que são ciclados no sistema biológico (entre a biomassa e a matéria orgânica do solo), minimizando as adições posteriores de ácido. Da maior ou menor capacidade de reciclar nutrientes resultará na formação de subsolo ácido ou alcalino, respectivamente, nos ecossistemas naturais com muito pouca ou nenhuma adição de ácido (Figuras 4 e 5). Nos ecossistemas agrícolas, porém, ocorrem taxas mais elevadas de adição de ácidos provenientes dos ciclos do C e do N orgânicos devido às maiores de perdas de nitrato por lixiviação e por erosão laminar e de remoção de ânions orgânicos em produtos e restos de produtos (Tabela 2). As taxas normais de adição em sistemas agrícolas, como mencionado anteriormente, são de 2 a 5 kmol de H+ ha-1 ano-1, equivalentes a 100 a 250 kg de CaCO3 ha-1 ano-1. Em situações extremas, já chegaram a ser medidas taxas de até 20 kmol ha-1 ano-1, equivalentes a 1.000 kg de CaCO3 ha-1 ano-1, associadas com altas taxas de fertilizantes nitrogenados, especialmente fertilizantes amoniacais (Equação 2) (HELYAR et al., 1990). ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 7 Tabela 2. Necessidade de calcário para neutralização da acidez causada pela remoção do produto colhido (SLATTERY et al., 1991). Produto Necessidade de calcário (kg ton-1 de M.S. de produto) Milho e trigo Soja Silagem de milho Feno de capim Feno de trevo Feno de alfafa Carne A taxa de adição de ácido proveniente dos ciclos do C e do N é afetada pelo pH através do efeito deste sobre as taxas de nitrificação e sobre a produtividade da planta, absorção de nitrato e quantidade de ânions orgânicos removida nos produtos e restos de produtos. Em geral, tanto as taxas de nitrificação (BRAMLEY e WHITE, 1989) quanto as taxas de crescimento da planta (SUMNER, 2001) são restritas à medida que o pH cai abaixo de 5,0 e as concentrações de H+, Al e Mn na solução do solo tornam-se tóxicas (Figura 6). Em valores de pH maiores que 7,5, o crescimento da planta e os processos microbianos também são freqüentemente inibidos (ROBSON e ABBOTT, 1989). No entanto, tanto as plantas como os microrganismos desenvolveram espécies e cepas que toleram extremos de acidez e alcalinidade, havendo, portanto, um amplo intervalo de pH (4,5 a 7,5) no qual podem ocorrer altas taxas de crescimento de plantas e de processos microbiológicos, tal como a nitrificação. Espécies e cepas tolerantes substituem organismos menos tolerantes à medida que os extremos do intervalo de pH são alcançados. Desse modo, uma curva 8 9 20 40 25 40 70 17 conceitual, baseada na adição líquida de 3 kmol de H+ ha-1 ano-1 na variação ótima de pH, está incluída na Figura 2 para ilustrar o modo como a adição líquida de ácido proveniente dos ciclos do C e do N normalmente variam com o pH. A taxa de 3 kmol de H+ ha-1 ano-1 é equivalente à remoção de 2,5, 30 ou 7,5 t ha-1 ano-1, respectivamente de feno de alfafa, grãos de trigo ou grãos de lupinus contendo ânions orgânicos em concentrações de cerca de 1.500, 100 e 400 mmol de ânions orgânicos kg-1, respectivamente (PIERRE e BANWART, 1973; SLATTERY et al., 1991). Por outro lado, a taxa de adição de ácido de 3 kmol H+ ha-1 ano-1 é equivalente à perda do sistema por lixiviação de 42 kg de N na forma de nitrato ha-1 ano-1. Vegetação de Eucalyptus com baixa capacidade de reciclar nutrientes e álcalis Camada superficial Adição ácida líquida Lixiviação Pastagens ou árvores com alta capacidade de reciclar nutrientes e álcalis LIXIVIAÇÃO restaura o balanço agrava o problema Adição alcalina líquida Lixiviação RESULTADO Subsolo Adição alcalina líquida Solo solódico, com superfície ácida e subsolo muito argiloso Adição ácida líquida Solo bem estruturado e sem camada ácida superficial Figura 4. Efeito do tipo de vegetação no desenvolvimento da acidez no perfil do solo, em ecossistemas naturais. Figura 5. As florestas de eucalipto seriam responsáveis pela ocorrência geral de solos de camada dupla na Austrália com excesso de adição ácida à superfície e excesso de alcalinidade no subsolo? ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 Figura 6. Limites da tolerância da planta ao alumínio. MANEJO DO pH DO PERFIL DO SOLO EM SISTEMAS AGRÍCOLAS E FLORESTAIS Na natureza, as plantas usam energia fornecida pela fixação de C através da fotossíntese para acumular um pool de nutrientes que são ciclados entre as plantas e os microrganismos, a matéria orgânica do solo, os nutrientes em formas inorgânicas rapidamente disponíveis (íons em solução ou adsorvidos em formas rapidamente trocáveis na matéria orgânica ou na superfície dos minerais do solo) e os nutrientes em formas minerais que podem se dissolver rápido o suficiente (minerais fracamente solúveis) para participar significativamente no ciclo biológico. Os ácidos produzidos nos ciclos do C e do N, como já observado, são usados durante períodos de acumulação de biomassa, matéria orgânica do solo e serapilheira, para mobilizar nutrientes provenientes dos minerais para incorporação no pool de nutrientes envolvidos no ciclo biológico. Portanto, as fontes de ácido adicionais ao ácido carbônico são usadas parcimoniosamente pela natureza para acumular um pool de nutrientes disponíveis que é proporcional à capacidade do ecossistema de acumular biomassa e matéria orgânica no solo (controlada principalmente pela disponibilidade de umidade, temperatura e luz). Uma vez acidificado a valores de pHCa entre 5,0 e 6,0, os acréscimos inevitáveis de ácido através da adição de ácido carbônico durante a lixiviação são baixos e os minerais mais instáveis já terão sido perdidos por intemperismo. A intemperização posterior provocada pela lixiviação é lenta, pois os minerais restantes são muito fracamente solúveis neste intervalo de pH (Figura 2). Além disso, se ocorrer uma incomum adição de ácido (como, por exemplo, após uma perda excepcional de nitrato por lixiviação), o pH do solo tenderá a se reverter para o intervalo de pH entre 5,0 e 6,0, pois a lixiviação remove os produtos de dissolução de aluminossilicatos e óxidos, fazendo com que as Equações 14 a 16 ocorram para a direita, consumindo H+ no processo. Assim, em ecossistemas naturais, as camadas de solo com baixas adições de ácidos provenientes dos ciclos do C e do N e uma taxa positiva de lixiviação, apresentam uma tendência de que o pH centralize-se no intervalo entre 5,0 e 6,0 ao longo do tempo. Isto ocorre porque a lixiviação dos ânions do ácido carbônico reduz o pH se este estiver acima de 6,0, e a dissolução de minerais de alumínio, para restabelecer o equilíbrio após a lixiviação, aumenta o pH se este está abaixo de 5,0. Se a taxa de lixiviação for bastante baixa para que ocorra acumulação líquida de OH-, HCO3- e CO32- em uma camada, o pH aumentará devido à remoção dos gases (volatilização de CO2(g) através da ocorrência das Equações 9 e 10 para a esquerda). Se o produto de solubilidade de CaCO3 for atingido, este composto precipitará (Equação 11). Daí a relação entre profundidade das camadas secundárias de carbonato nos solos e precipitação anual (ARKLEY, 1963), com formação de carbonatos na camada onde há acumulação de íons alcalinos (OH-, HCO3- e CO32-), à medida que a lixiviação se aproxima de zero. Os sistemas florestais e agrícolas diferem dos ecossistemas naturais principalmente porque ocorrem mais oportunidades para a remoção dos produtos (Tabela 2) e lixiviação de nitrato. As perdas de nutrientes e de alcalinidade podem ser particularmente grandes, refletindo a adição de ácido através dos ciclos do C e do N. Com a adição contínua de ácido proveniente dessas fontes, valores de pH estáveis (steady state) abaixo de 5,0 serão estabelecidos, refletindo o balanço entre os processos de dissolução mineral e adição de ácido. O modelo delineado por Helyar (2002) distribui os efeitos dos processos alcalinos e ácidos através do perfil do solo. Ele usa entradas tais como crescimento da planta e teor de nutriente, remoção de produto, retorno nos resíduos, perda de nitrato por lixiviação e erosão laminar e adição de N ao sistema na forma de fertilizantes e através da fixação de N2(g) por leguminosas. As reações ácidas e alcalinas nos ciclos do C e do N orgânicos, a absorção de cátions e ânions e a excreção de H+ e OH- e seus equivalentes (como, por exemplo, HCO3-) são levados em consideração. A lixiviação de íons para as camadas inferiores do perfil do solo e o sistema de reações CO2(g)/H2CO3/CaCO3 também estão no modelo. O modelo permite prever as conseqüências a longo e a curto prazos das diferentes práticas de manejo no pH do perfil do solo. De forma ideal, o objetivo é manter o pH Ca de todo o perfil acima de 5,0, de modo que nenhuma camada na zona radicular seja suficientemente ácida para reduzir o crescimento das raízes. O modelo foi aplicado em sistemas agrícolas estudados em detalhes. Ele produz resultados que apresentam padrão semelhante aos padrões ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 9 medidos, mas que podem ser deslocados no espaço ou no tempo. Por exemplo, um dado sistema de manejo pode produzir uma camada de ácido no perfil, a 25 cm, no modelo, mas de fato a 15 cm. Esses efeitos refletem a simplicidade das funções usadas (como, por exemplo, todos os processos são distribuídos no modelo usando funções exponenciais simples; RUSSEL e MOORE, 1968) e a dificuldade de especificar sua distribuição média real em um dado ecossistema. No entanto, são expressões válidas dos efeitos das diferenças em manejos dos ecossistemas. As aplicações do modelo a ecossistemas específicos mostram que o pH do perfil do solo é sensível ao manejo. Os principais efeitos realçados até o momento são descritos a seguir. 1. Adições líquidas de ácido proveniente dos ciclos do C e do N causam solos ácidos em profundidade Quando o pH do solo estiver abaixo de 5,5, a adição de ácido carbônico é desprezível; então, a adição líquida de ácido proveniente dos ciclos do C e do N orgânicos é a principal fonte de ácido. Com isto presume-se que a adição de ácido proveniente do ciclo do enxofre também é desprezível, uma presunção que não é válida em alguns sistemas (como, por exemplo, locais do solo com sulfato ácido ou onde S elementar é usado como fertilizante). O modelo mostra que ecossistemas agrícolas e florestais com remoção significativa de ânions orgânicos nos produtos, adição de fertilizantes com base de amônio (NH4) ou perda de nitrato por lixiviação ou erosão laminar eventualmente desenvolverão perfis altamente ácidos em profundidades. A taxa na qual a acidez se desenvolve depende da taxa de adição de H+, da capacidade tampão de pH do solo e da taxa de lixiviação. Os primeiros 1 cm a 2 cm superficiais geralmente recebem adição líquida de álcali proveniente da dominância da oxidação de resíduos de plantas. Porém, as camadas de solo logo abaixo, até cerca de 30 cm, geralmente recebem adição líquida de ácido devido à dominância dos processos ácidos (da nitrificação, da volatilização de NH3(g) a partir de NH4+ e excreção de H+ pelas raízes) sobre os processos alcalinos nesta zona. O efeito da adição contínua de excesso de ácido nesta zona resulta no decréscimo de pH em direção ao equilíbrio na intersecção das curvas para ácido adicionado proveniente dos ciclos do C e do N com a taxa de lixiviação de íons Al + H+ (Figura 2). As demais adições de ácido são transportadas para as camadas inferiores através da lixiviação dos íons Al e H+. A mensagem prática é que a formação de perfis de solo ácidos em profundidade em sistemas agrícolas pode ser interrompida pela aplicação de calcário, ou outros corretivos, para neutralizar as adições de ácido. O uso de espécies tolerantes a alumínio ao invés do calcário aumenta a acidificação do perfil, e a perda de nutrientes (provenientes da maior intemperização) e reduz as opções de diversificação. A tolerância é empre10 gada em ecossistemas naturais para lidar com um fator de estresse existente. Em sistemas agrícolas, nos quais os lucros da aplicação de calagem são positivos, o calcário pode ser aplicado para evitar a acidificação do solo e preservar a fertilidade do solo, a produtividade e a diversificação de opções. Em tais sistemas, o papel da tolerância é sustentar altas produções durante o longo período necessário para melhorar a acidez subsuperficial através da manutenção do pHCa na camada arável no intervalo entre 5,0 e 6,0. 2. Taxas mínimas de intemperização ocorrem no intervalo de pHCa entre 5,0 e 6,0 Neste intervalo de pH, as concentrações de íons (Al + H ), ácido silícico (H4SiO4) e (OH- + HCO-3 + CO3-2) em solução estão nas faixas de 10-5,2 a -4,5, 10-3,5 a -3,3 e 10-5,1 a -4,0 molar, respectivamente. Assim, o transporte desses íons por 100 mm de eluviante ano-1 está nas faixas de 0,030 a 0,007, 0,50 a 0,32 e 0,008 a 0,104 (kmol + ou ha -1 ano -1 ), respectivamente para pH entre 5,0 e 6,0. Para o ácido silícico, essas taxas de lixiviação são cerca de um décimo, e para os íons ácidos e alcalinos são duas ordens de magnitude mais baixas que as das taxas de adição de ácido a sistemas agrícolas dos ciclos do C e do N. As taxas de lixiviação do ácido silícico são baseadas em solos contendo minerais de argila de três camadas. Em solos com dominância de caulinita-óxido de alumínio, as concentrações de ácido silícico são cerca de 10 vezes mais baixas novamente. O balanço de Si no solo também é afetado pelas taxas de retorno de Si à superfície do solo nos resíduos de planta. No sistema de pastagem estudado em experimentos de calagem em Wagga Wagga (Austrália), as taxas de retorno de Si à superfície em resíduos de planta são iguais ou pouco maiores que a taxa de lixiviação a 10 cm. Esses números realçam o valor da manutenção do pHCa do solo neste intervalo de 5,0 a 6,0 para minimizar as taxas de intemperização causadas por lixiviação. + 3. Lixiviação de nitrato dentro da zona radicular leva ao desenvolvimento de camadas ácidas em subsuperfície Mesmo onde há pouca ou nenhuma adição líquida de ácido, a lixiviação de nitrato dentro da zona radicular pode levar ao desenvolvimento de uma camada ácida localizada entre 5 cm e 30 cm de profundidade, porque o efeito ácido da nitrificação nos primeiros 10-15 cm superficiais é separado dos efeitos alcalinos da desnitrificação e da absorção de nitrato na zona radicular mais abaixo (efeito alcalino da absorção de nitrato pelas raízes em que um excesso de absorção de ânions leva à excreção de OH- ou HCO3- pelas raízes). Na prática, esse balanço de processos significa que a quantidade de calcário necessária para interromper o desenvolvimento de uma camada em subsuperfície com pHCa < 5,0 é maior do que a quantidade de ácido adicionada a partir dos ciclos do C e do N. A Tabela 3 mostra os resultados de um modelo utilizando três padrões diferentes de absorção de nitrato pelas plantas: a) absorção de nitrato pelas plantas em ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 Tabela 3. Simulação de equilíbrio de pH do perfil do solo para área pastejada de grama perene com trevo forrageiro com 650 mm de precipitação pluviométrica anual presumindo-se diferentes quantidades de lixiviação de nitrato abaixo da zona de nitrificação antes da absorção de nitrato pelas plantas. Perfil de absorção de nitrato a. Mesma da nitrificação b. Mais profunda do que o sistema radicular* 0 5 (5) 0,1 71 83 120-150 89 (179) 229 (225) 15-25 (70-90) 70 92 120-150 7,3 7,1 6,9 6,3 5,0 7,4 (7,4) 5,0 (7,1) 6,9 (5,0) 6,8 (5,4) 6,8 (6,0) 7,3 7,0 6,9 6,2 5,0 Nitrato lixiviado abaixo da zona radicular (kg ha-1) Ácido adicionado proveniente dos ciclos do C e do N orgânicos e do CO2(g) (kg CaCO3 equivalentes ha-1 ano-1) Calcário necessário para pH mínimo de 5,0 (kg ha-1 ano-1) Profundidade na qual ocorre pH mínimo (cm) pH 0-10 cm 15-25 cm 70-90 cm 90-120 cm 120-150 cm c. Metade entre a. e b. * Os números entre parênteses são para pastagem de alfafa com resíduos altos em ânions orgânicos (150 cmol kg-1) devolvidos para a superfície comparada com a mistura de grama perene/trevo forrageiro com 60 cmol kg-1. profundidade igual a da nitrificação; b) a absorção de nitrato se estendendo em profundidade maior do que o sistema radicular, resultando em alguma lixiviação abaixo do sistema radicular; e c) a absorção de nitrato ocorrendo em profundidades de cerca da metade entre esses dois extremos anteriores. A primeira característica dos resultados é que o ponto de pH mais baixo no perfil do solo sobe da parte inferior da zona radicular (120-150 cm) para a camada a 25-35 cm, à medida que a profundidade de lixiviação de nitrato aumenta. A segunda é que a maior lixiviação de nitrato aumenta tanto a quantidade de ácido adicionada através dos ciclos de C e de N como também a quantidade de calcário necessária para prevenir que se desenvolva uma camada com pH < 5,0 (Tabela 3). Por último, a absorção de nitrato pelas plantas na zona de nitrificação, ou não muito abaixo dela (colunas 2 e 4 da Tabela 3), produz um perfil de pH do solo com o valor mais baixo de pH, na base da zona radicular. Isto pode ser vantajoso, especialmente para espécies que são capazes de tolerar toxicidades de Al e Mn, porque esta é a zona mais próxima do material parental e, portanto, é uma zona na qual os nutrientes podem ser mobilizados para incorporação no ciclo biológico de modo a aumentar a fertilidade do solo ou repor perdas de nutrientes. 4. A capacidade da planta de contrabalançar a lixiviação dos nutrientes afeta o perfil do pH As plantas que retornam para a superfície do solo resíduos com baixos teores de ânions orgânicos e cátions associados têm capacidade proporcionalmente mais baixa de contrabalançar a lixiviação de nutrientes e álcalis em profundidade no perfil do solo. O efeito pode ser visto nos números entre parênteses na coluna 3 da Tabela 3 para a pastagem de alfafa com 150 cmol kg-1 de ânions orgânicos kg-1 de resíduos, com os valores adjacentes para a pastagem de grama perene com trevo forrageiro com 60 cmol kg -1 de ânions orgânicos kg-1 de resíduos de pastagem. A alfafa, planta com capacidade relativamente alta de contrabalançar a lixiviação, tem o pH mais baixo no perfil do solo em profundidade maior que a da mistura grama perene/ trevo forrageiro para a quase mesma necessidade de calcário para atingir um pH mínimo de 5,0. A taxa absoluta de adição de ácido proveniente dos ciclos do C e do N é maior para o sistema da alfafa devido às maiores taxas de remoção de ânions orgânicos nos resíduos dos produtos (remoção de esterco dos locais de abrigo de animais). CONCLUSÕES O manejo do perfil de pH do solo para interromper o desenvolvimento de acidez em qualquer camada dentro da zona radicular das plantas requer a compreensão dos efeitos dos ácidos e dos álcalis e sua distribuição no tempo e no espaço. Algumas diretrizes principais de manejo que integram esses processos são: Plantas que absorvem altas concentrações de cátions não-N em relação aos ânions e, portanto, contêm altas concentrações de ânions orgânicos, têm maior capacidade de contrabalançar a lixiviação de cátions e alcalinidade, deste modo reduzindo a acidificação dos solos superficiais; As taxas de intemperização devido à lixiviação são minimizadas no intervalo de pHCa entre 5,0 e 6,0; portanto, este é um intervalo de pH desejável para a sustentabilidade da fertilidade do solo a longo prazo; Os ecossistemas agrícolas e florestais são caracterizados por remoção de produtos e, em níveis variados, pela lixiviação de nitrato. Esses processos significam que é necessária a aplicação de compostos alcalinos (calcário) para equilibrar a adição líquida de H+ proveniente dos ciclos do C e do N; São necessárias quantidades de calcário que excedam o balanço de H+ em alguns sistemas para interromper o desenvolvimento de uma camada de solo com pH < 5,0 em ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003 11 profundidade. Esses sistemas normalmente são aqueles nos quais ocorre a lixiviação de nitrato abaixo da zona de nitrificação antes da absorção, e/ou sistemas dominados por plantas com capacidade limitada de retornar cátions e alcalinidade para a superfície do solo; Taxas significativas de adição de H+ aos solos proveniente da dissociação de ácido carbônico ocorrem em pHCa > 6,0. A lixiviação do solo com água de chuva causa intemperização ácida dos minerais do solo que se dissolvem neste intervalo de pH, mesmo que a adição de H+ proveniente dos ciclos do C e do N orgânicos não seja significativa. Por último, mas não menos importante, é preciso que as tabelas com os índices de acidez dos fertilizantes sejam revistas para adequá-las ao conhecimento moderno dos processos de acidificação no manejo da fertilidade do solo. and use of acid soils for sustainable production. KwaZulu-Natal: National Department of Agriculture, 2002. p. 224251. HELYAR, K.R.; CREGAN, P.D.; GODYN, D.L. Soil acidity in New South Wales current pH values and estimates of acidification rates. Australian Journal of Soil Research, v. 28, p. 523-537, 1990. HELYAR, K.R.; PORTER, W.M. Soil acidification, its measurement and the processes involved. In: ROBSON, A.D. (Ed.). Soil acidity and plant growth. Sydney: Academic Press, 1989. p. 61-101. ISBELL, R.F. The Australian soil classification. Melbourne: CSIRO, 1996. LINDSAY, W.L. Chemical equilibria in soils. New York: John Wiley and Sons, 1979. REFERÊNCIAS ARKLEY, T. Calculation of carbonate and water movement in soil from climatic data. Soil Science, v. 95, p. 239-248, 1963. MAGDOFF, F.R.; BARTLET, R.J. Soil pH buffering revisited. Journal of the Soil Science Society of America, v. 49, p. 145-148, 1985. BARMAN, A.K.; VARADACHARI, C.; GHOSH, H. Weathering of silicate minerals by organic acids. I. Nature of cation solubilisation. Geoderma, v. 53, p. 45-63, 1992. PIERRE, W.H.; BANWART, W.L. Excess-base and excessbase/nitrogen ratio of various crop species and parts of plants. Agronomy Journal, v. 65, p. 91-96, 1973. BRAMLEY, R.G.V.; WHITE, R.E. The effect of pH, liming, moisture and temperature on the activity of nitrifiers in a soil under pasture. Australian Journal of Soil Research, v. 27, p. 711-24, 1989. ROBSON, A.D.; ABBOTT, L.K. The effect of soil acidity on microbial activity in soils. In: ROBSON, A.D. (Ed.). Soil acidity and plant growth. Sydney: Academic Press, 1989. p. 139165. CONYERS, M.K.; HELYAR, K.R.; POILE G.J. pH buffering: the chemical response of acidic soils to added alkali. Soil Science, v. 165, p. 560-566, 2000. RUSSELL, J.S.; MOORE, A.W. Comparison of different depth weightings in the numerical analysis of anisotrophic soil profile data. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF SOIL SCIENCE, 9., Transactions... v. 4, p. 205-213, 1968. FITZPATRICK, E.A. Soils: their formation classification and distribution. London: Longman Group, 1980. GLINSKI, J.; STEPNIEWSKI, W. Soil aeration and its role for plants. Boca Raton: CRC Press, 1984. GRINSVEN, H.J.M. van; RIEMSDIKJ, W.H. van; OTJES, R.; BREEMEN, N. van. Rates of aluminium dissolution in acid sandy soils observed in column experiments. Journal of Environmental Quality, v. 21, p. 439-477, 1992. HEENAN, D.P.; TAYLOR, A.C.; CULLIS, B.R.; LILL, W.J. Long term effects of rotation, tillage and stubble management on wheat production in southern NSW. Australian Journal of Agricultural Research, v. 45, p. 93117, 1994. HELYAR, K.R. Soil acidification and nutrient cycling in relation to sustainable management of agricultural and forestry ecosystems. In: FARINA, M.; VILLIERS, M. de; BARNARD, R.; WALTERS, M. (Ed.) Integrated management 12 SLATTERY, W.J.; RIDLEY, A.M.; WINDSOR, S.M. Ash alkalinity of animal and plant products. Australian Journal of Experimental Agriculture, v. 31, p. 321-324, 1991. SUMNER, M.E. Global extent, development and economic impact of acid soils. In: FARINA, M.; VILLIERS, M. de; BARNARD, R.; WALTERS, M. (Ed.) Integrated management and use of acid soils for sustainable production. Pretoria: National Department of Agriculture, 2001. p. 3-32. VERBURG, K.; BRASCHKAT, J.; HOCHMAN, Z.; HELYAR, K. R. Modelling acidification processes in agricultural systems. In: RENGEL, Z. (Ed.). Handbook of soil acidity. New York: Marcel Dekker, 2003. p. 135187. VLAMIS, V. Acid soil infertility as related to soil solution and solid phase effects. Soil Science, v. 75, p. 383-394, 1953. ENCARTE DO INFORMAÇÕES AGRONÔMICAS Nº 104 DEZEMBRO/2003
