ABSTRACT: Management systems to improve soil quality are essential for agricultural and environmental sustainability. We assessed the quality of soil management systems applied to a subtropical Acrisol in terms of the carbon management index (CMI), the stratification ratio for total organic carbon (SR-TOC) and light fraction of organic matter (SR-LF). In addition, we examined their relationship to chemical, physical and biological soil quality indicators, as well as to maize yield. The study was conducted on a long-term experiment (18 years) in southern Brazil involving two different systems [no tillage (NT) and conventional tillage (CT)], two cropping systems [black oat/maize (O/M) and black oat + vetch/maize + cowpea (OV/MC)] and two nitrogen fertilizer rates for maize (0 and 180 kg ha–1). Based on the three indices, the best managements for soil quality comprised NT (50-212 % better than CT), legume cover crops (10-47 % better than O/M) and N fertilization (8-33 % better than no fertilizer). All three indices proved accurate to assess the impact of soil management systems, especially SR-LF, which showed increased sensitivity and close relationships with chemical, physical and biological soil quality indicators. On the other hand, a poor relationship was observed between soil C indices and maize yield, which was improved only by legume cover crops and N fertilization. The results showed that the association of no-till system to an abundant supply of crop residues is key to ensure high soil quality and crop yields in humid subtropical regions.

O solo pode atuar como fonte ou sumidouro de metano (CH4), dependendo do balanço entre metanogênese e metanotrofia, definido por fatores pedológicos, climáticos e de manejo. O objetivo deste estudo foi avaliar as implicações da drenagem do Organossolo Háplico hêmico, típico em campo hidrófilo de altitude sobre os fluxos de CH4. A pesquisa de campo foi conduzida no município de Ponta Grossa, PR, e envolveu avaliações de fluxos de CH4 pelo método da câmara estática em Organossolo natural e Organossolo drenado, por um período de um ano (17 coletas). No Organossolo natural, ocorreu efluxo líquido de CH4, com taxas variando entre 238 µg m-2 h-1 de CH4, em épocas mais frias, e 2.850 µg m-2 h-1 de CH4, em épocas mais quentes, totalizando emissão acumulada de 116 kg ha-1 ano-1 de CH4. Na área drenada, ocorreu influxo líquido (-39 a -146 µg m-2 h-1 de CH4), que totalizou em consumo de 9 kg ha-1 ano-1 de CH4. O rebaixamento do nível freático (em média -57 cm, contra -7 cm no solo natural) e a menor umidade gravimétrica na camada de 0-10 cm (média de 5,5 kg kg-1, contra 9,9 kg kg-1 do solo natural) foram os principais fatores determinantes do consumo de CH4, na área drenada. Apesar de os Organossolos em campo hidrófilo atuarem como fonte de CH4, esses possuem importantes funções no ecossistema, como acumular carbono orgânico (581 Mg ha-1 de C até 1 m) e armazenar água (8,6 milhões de L = 860 mm até 1 m). Por essa razão, não devem ser drenados, como alternativa para redução da emissão de metano, mas efetivamente preservados.

Soil can be either source or sink of methane (CH4), depending on the balance between methanogenesis and methanotrophy, which are determined by pedological, climatic and management factors. The objective of this study was to assess the impact of drainage of a highland Haplic Histosol on CH4 fluxes. Field research was carried out in Ponta Grossa (Paraná, Brazil) based on the measurement of CH4 fluxes by the static chamber method in natural and drained Histosol, over one year (17 sampling events). The natural Histosol showed net CH4 eflux, with rates varying from 238 µg m-2 h-1 CH4, in cool/cold periods, to 2,850 µg m-2 h-1 CH4, in warm/hot periods, resulting a cumulative emission of 116 kg ha-1 yr-1 CH4. In the opposite, the drained Histosol showed net influx of CH4 (-39 to -146 µg m-2 h-1), which resulted in a net consumption of 9 kg ha-1 yr-1 CH4. The main driving factors of CH4 consumption in the drained soil were the lowering of the water-table (on average -57 cm, vs -7 cm in natural soil) and the lower water content in the 0-10 cm layer (average of 5.5 kg kg-1, vs 9.9 kg kg-1 in natural soil). Although waterlogged Histosols of highland areas are regarded as CH4 sources, they fulfill fundamental functions in the ecosystem, such as the accumulation of organic carbon (581 Mg ha-1 C to a depth of 1 m) and water (8.6 million L ha-1 = 860 mm to a depth of 1 m). For this reason, these soils must not be drained as an alternative to mitigate CH4 emission, but effectively preserved.

Plantas de cobertura de inverno são fontes de C e de N em sistemas de produção de arroz irrigado, mas pouco se conhece sobre o efeito do manejo e da qualidade dos seus resíduos culturais nas emissões de metano (CH4) e de óxido nitroso (N2O) do solo. O estudo consistiu de um experimento conduzido em casa de vegetação e teve como objetivo principal avaliar a influência do manejo (incorporado ou em superfície) e do tipo de resíduos culturais (azevém e serradela) de plantas de cobertura sobre as emissões de CH4 e de N2O de um Planossolo Háplico sob cultivo de arroz irrigado por inundação. Utilizou-se o método da câmara fechada, e as concentrações de CH4 e de N2O nas amostras de ar foram determinadas por cromatografia gasosa. Coletas da solução do solo em duas profundidades (2 e 20 cm) foram realizadas simultaneamente às coletas de ar. A manutenção dos resíduos culturais na superfície do solo resultou em menor emissão de CH4 e de N2O em comparação à sua incorporação. O tipo de resíduo cultural não teve efeito na emissão de CH4, enquanto para o N2O a distinção entre os resíduos ocorreu apenas quando estes foram mantidos na superfície do solo condição na qual as maiores emissões ocorreram com a adição dos resíduos da leguminosa (serradela). O processo mais intenso de redução do solo em subsuperfície (20 cm), evidenciado pelos maiores teores de íons reduzidos (Mn2+ e Fe2+), e a estreita relação entre a emissão de CH4 e os teores de C orgânico dissolvido nessa profundidade indicam que a camada subsuperficial foi a principal fonte de CH4 quando da incorporação dos resíduos culturais. A adoção de estratégias de manejo que promovam a manutenção dos resíduos culturais na superfície do solo é fundamental quando se visa à mitigação das emissões de CH4 e N2O em solos sob cultivo de arroz irrigado. O CH4 compõe mais de 90 % do potencial de aquecimento global parcial (CH4 + N2O) nesses sistemas de produção e, portanto, deve ser o foco principal da pesquisa.

Winter cover crops are sources of C and N in flooded rice production systems, but very little is known about the effect of crop residue management and quality on soil methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions. This study was conducted in pots in a greenhouse to evaluate the influence of crop residue management (incorporated into the soil or left on the soil surface) and the type of cover-crop residues (ryegrass and serradella) on CH4 and N2O emissions from a flooded Albaqualf soil cultivated with rice (Oryza sativa L.). The closed chamber technique was used for air sampling and the CH4 and N2O concentrations were analyzed by gas chromatography. Soil solution was sampled at two soil depths (2 and 20 cm), simultaneously to air sampling, and the contents of dissolved organic C (DOC), NO3-, NH4+, Mn2+, and Fe2+ were analyzed. Methane and N2O emissions from the soil where crop residues had been left on the surface were lower than from soil with incorporated residues. The type of crop residue had no effect on the CH4 emissions, while higher N2O emissions were observed from serradella (leguminous) than from ryegrass, but only when the residues were left on the soil surface. The more intense soil reduction verified in the deeper soil layer (20 cm), as evidenced by higher contents of reduced metal species (Mn2+ and Fe2+), and the close relationship between CH4 emission and the DOC contents in the deeper layer indicated that the sub-surface layer was the main CH4 source of the flooded soil with incorporated crop residues. The adoption of management strategies in which crop residues are left on the soil surface is crucial to minimize soil CH4 and N2O emissions from irrigated rice fields. In these production systems, CH4 accounts for more than 90 % of the partial global warming potential (CH4+N2O) and, thus, should be the main focus of research.

Fertilizantes nitrogenados incrementam os fluxos de óxido nitroso (N2O) e podem deprimir a oxidação de metano (CH4) em solos agrícolas. Entretanto, não existem resultados da magnitude desses efeitos nas condições edafoclimáticas do Sul do Brasil, tampouco do potencial de algumas fontes de N em mitigar esses efeitos. O presente estudo objetivou avaliar o impacto da aplicação de fertilizantes nitrogenados (ureia, sulfato de amônio, nitrato de cálcio, nitrato de amônio, Uran, N de liberação lenta e ureia com inibidor de urease) nos fluxos de N2O e CH4 em um Gleissolo no Sul do Brasil (Porto Alegre, RS), em comparação a um tratamento controle sem aplicação de N. O experimento seguiu um delineamento de blocos ao acaso, com três repetições, e os fertilizantes foram aplicados, em cobertura, numa dose única de 150 kg ha-1 N, no estádio V5 da cultura do milho. A avaliação dos gases foi feita utilizando-se o método da câmara estática, nos 15 dias que sucederam a aplicação de N, e a análise das concentrações de N2O e CH4 nas amostras de ar foi realizada por meio de cromatografia gasosa. O pico de emissão de N2O ocorreu no terceiro dia após a aplicação dos fertilizantes nitrogenados e a sua intensidade variou de 187,8 a 8.587,4 µg m-2 h-1 N, destacando-se as fontes nítricas com as maiores emissões, as fontes amoniacais e amídicas com emissões intermediárias e os fertilizantes de liberação lenta e com inibidor de urease com as menores emissões. As emissões no terceiro dia tiveram relação direta com os teores de N-NO3- do solo (R² = 0,56, p < 0,08) e ocorreram quando este apresentava valores de porosidade preenchida por água (PPA) maiores que 70 %, o que indica que a desnitrificação foi o processo predominante na produção de N2O. Os fluxos de CH4 do solo variaram de -30,1 µg m-2 h-1 C (absorção) a +32,5 µg m-2 h-1 C (emissão), e a emissão acumulada desse gás teve relação direta com os teores de NH4+ no solo (R² = 0,82, p < 0,001), possivelmente pela competição enzimática entre os processos de nitrificação e de metanotrofia. Apesar de os fluxos de ambos os gases terem sido alterados pela aplicação dos fertilizantes nitrogenados, na média dos tratamentos, o impacto das emissões de CH4 (0,2 kg ha-1C-CO2 equivalente) foi centenas de vezes menor que o verificado para as emissões de N2O (132,8 kg ha-1 C-CO2 equivalente). Considerando as emissões desses gases no solo fertilizado e o custo médio de 1,3 kg C-CO2 kg-1 N referente à produção, transporte e aplicação do fertilizante, o impacto ambiental dos fertilizantes nitrogenados variou de 220,4 a 664,5 kg ha-1 C-CO2, o qual pode ser apenas parcialmente contrabalanceado pelo acúmulo de C na matéria orgânica do solo, pois nenhum estudo realizado no Sul do Brasil evidenciou taxa anual de acúmulo de C no solo, decorrente da adubação nitrogenada, maior que 160 kg ha-1 C. A redução das emissões de N2O do solo e, portanto, do impacto ambiental pode ser obtida pelo uso de fontes amoniacais e amídicas em detrimento de fontes nítricas. Os fertilizantes de liberação lenta e com inibidores de urease também são alternativas potenciais visando à mitigação das emissões de N2O para atmosfera, e esforços deverão ser empreendidos numa avaliação sistemática desse potencial em agroecossistemas brasileiros.

Nitrogen fertilizers increase the nitrous oxide (N2O) emission and can reduce the methane (CH4) oxidation from agricultural soils. However, the magnitude of this effect is unknown in Southern Brazilian edaphoclimatic conditions, as well as the potential of different sources of mineral N fertilizers in such an effect. The aim of this study was to investigate the effects of different mineral N sources (urea, ammonium sulphate, calcium nitrate, ammonium nitrate, Uran, controlled- release N fertilizer, and urea with urease inhibitor) on N2O and CH4 fluxes from Gleysol in the South of Brazil (Porto Alegre, RS), in comparison to a control treatment without a N application. The experiment was arranged in a randomized block with three replications, and the N fertilizer was applied to corn at the V5 growth stage. Air samples were collected from a static chambers for 15 days after the N application and the N2O and CH4 concentration were determined by gas chromatography. The topmost emissions occurred three days after the N fertilizer application and ranged from 187.8 to 8587.4 µg m-2 h-1 N. The greatest emissions were observed for N-nitric based fertilizers, while N sources with a urease inhibitor and controlled release N presented the smallest values and the N-ammonium and amidic were intermediate. This peak of N2O emissions was related to soil NO3--N (R² = 0.56, p < 0.08) when the soil water-filled pore space was up to 70 % and it indicated that N2O was predominantly produced by a denitrification process in the soil. Soil CH4 fluxes ranged from -30.1 µg m-2 h-1 C (absorption) to +32.5 µg m-2 h-1 C (emission), and the accumulated emission in the period was related to the soil NH4+-N concentration (R² = 0.82, p < 0.001), probably due to enzymatic competition between nitrification and metanotrophy processes. Despite both of the gas fluxes being affected by N fertilizers, in the average of the treatments, the impact on CH4 emission (0.2 kg ha-1 equivalent CO2-C ) was a hundredfold minor than for N2O (132.8 kg ha-1 equivalent CO2-C). Accounting for the N2O and CH4 emissions plus energetic costs of N fertilizers of 1.3 kg CO2-C kg-1 N regarding the manufacture, transport and application, we estimated an environmental impact of N sources ranging from 220.4 to 664.5 kg ha-1 CO2 -C , which can only be partially offset by C sequestration in the soil, as no study in South Brazil reported an annual net soil C accumulation rate larger than 160 kg ha-1 C due to N fertilization. The N2O mitigation can be obtained by the replacement of N-nitric sources by ammonium and amidic fertilizers. Controlled release N fertilizers and urea with urease inhibitor are also potential alternatives to N2O emission mitigation to atmospheric and systematic studies are necessary to quantify their potential in Brazilian agroecosystems.

O óxido nitroso (N2O) é o mais importante gás de efeito estufa excetuando o CO2, e os sistemas de manejo devem ser avaliados quanto ao potencial de mitigação da emissão desse gás. O presente estudo foi realizado em experimento de longa duração (22 anos) e teve como objetivo avaliar o efeito de sistemas de manejo nas emissões de N2O no período pós-colheita (outono) em um Latossolo Vermelho distrófico típico situado na Fundação Centro de Experimentação e Pesquisa Fecotrigo (FUNDACEP), Cruz Alta, RS. Três sistemas de manejo foram avaliados: um em preparo convencional com resíduos de soja (PCsoja) e dois outros em plantio direto com resíduos de soja (PDsoja) e de milho (PDmilho). As emissões de N2O foram medidas em oito coletas de amostras de ar no período de 24 dias (maio de 2007), usando o método da câmara estática. Os fluxos foram obtidos pela relação entre as concentrações de gases dentro da câmara em intervalos regulares (0, 15, 30 e 45 min), analisada por cromatografia gasosa. Sobre os resíduos de soja, as emissões de N2O no período avaliado foram aproximadamente três vezes superiores no solo em PD (164 mg m-2 de N) do que em PC (51 mg m-2 de N), atingindo pico máximo de curta duração de emissão de 670 mg m-2 h-1 de N. Por outro lado, sobre os resíduos de milho, o solo em PD apresentou uma emissão inferior (34 mg m-2 de N) do que após soja, atingindo valor máximo de 127 mg m-2 h-1 de N. Variáveis de solo foram avaliadas simultaneamente às coletas de gases, e a análise multivariada dos resultados indicou que as principais variáveis controladoras da emissão de N2O foram a atividade microbiana, a temperatura, a porosidade preenchida por água e o teor de NO3- no solo. A inclusão do milho na rotação de culturas deve ser adotada em substituição à monocultura de soja como estratégia de redução da emissão outonal de N2O em solos sob plantio direto do Sul do Brasil.

Nitrous oxide (N2O) is the most important non-CO2 greenhouse gas and soil management systems should be evaluated for their N2O mitigation potential. This research evaluated a long-term (22 years) experiment testing the effect of soil management systems on N2O emissions in the postharvest period (autumn) from a subtropical Rhodic Hapludox at the research center FUNDACEP, in Cruz Alta, state of Rio Grande do Sul. Three treatments were evaluated, one under conventional tillage with soybean residues (CTsoybean) and two under no-tillage with soybean (NTsoybean) and maize residues (NTmaize). N2O emissions were measured eight times within 24 days (May 2007) using closed static chambers. Gas flows were obtained based on the relations between gas concentrations in the chamber at regular intervals (0, 15, 30, 45 min) analyzed by gas chromatography. After soybean harvest, accumulated N2O emissions in the period were approximately three times higher in the untilled soil (164 mg m-2 N) than under CT (51 mg m-2 N), with a short-lived N2O peak of 670 mg m-2 h-1 N. In contrast, soil N2O emissions in NT were lower after maize than after soybean, with a N2O peak of 127 g m-2 h-1 N. The multivariate analysis of N2O fluxes and soil variables, which were determined simultaneously with air sampling, demonstrated that the main driving variables of soil N2O emissions were soil microbial activity, temperature, water-filled pore space, and NO3- content. To replace soybean monoculture, crop rotation including maize must be considered as a strategy to decrease soil N2O emissions from NT soils in Southern Brazil in a Autumn.

O C fotossintetizado adicionado ao solo pelos resíduos vegetais (C-resíduo), as emissões de C na forma de dióxido de carbono (C-CO2) e o estoque de C orgânico do solo (C-solo) são componentes do ciclo deste elemento no sistema solo-planta-atmosfera. O efeito de práticas de manejo de solo sobre esses componentes necessita de melhor entendimento, visando à identificação de um sistema com potencial de reter C atmosférico no solo e contribuir para a mitigação do aquecimento global. Neste estudo, as emissões de C-CO2, o estoque de C e as adições de C pelos resíduos vegetais foram avaliados em experimento de longa duração (18 anos), localizado em Eldorado do Sul (RS). O quociente C-CO2/(C-resíduo + C-solo) foi proposto como índice da capacidade de sistemas de preparo e de cultura em conservar C no solo (ICC). A emissão de C-CO2 foi medida durante 17 meses; a quantidade de C-resíduo foi estimada com base em amostragens da massa de plantas de cobertura de inverno e no índice de colheita do milho; e o estoque de C-solo, avaliado na camada de 0-0,2 m do solo submetido aos sistemas de preparo convencional (PC) e plantio direto (PD), associados às sucessões de aveia (Avena strigosa Schreb)/milho (Zea mays L.) (A/M) e ervilhaca comum (Vicia sativa L.)/milho (E/M). Com objetivo de avaliar a relação das emissões de C-CO2 com fatores ambientais, foram monitoradas a temperatura a 0,05 m de profundidade e a umidade gravimétrica do solo nas camadas de 0-0,05; 0,05-0,1; e 0,1-0,2 m. Em comparação ao estoque de C-solo no início do experimento (33,4 t ha-1), o balanço foi negativo no solo em PC (-0,31 t ha-1 ano-1 no A/M e -0,10 t ha-1 ano-1 no E/M) e positivo no solo em PD (0,15 t ha-1 ano-1 ) apenas quando associado ao sistema E/M, o qual apresentou maior aporte de resíduos. As taxas mensais médias das emissões variaram entre 0,27 g m-2 de C-CO2 no inverno (média das temperaturas mínimas = 8 °C) e 1,36 g m-2 de C-CO2 no verão (média das temperaturas máximas = 38º C), que se relacionaram com a temperatura do solo (r > 0,85). A emissão total de C-CO2 no período variou entre 3,6 e 4,0 t ha-1 de C-CO2, não tendo sido verificada diferença significativa entre os sistemas de preparo de solo e de cultura. Entretanto, o ICC evidenciou que o potencial dos sistemas de manejo em conservar C no solo aumentou na ordem PC A/M < PC E/M < PD A/M < PD E/M. As condições menos oxidativas contribuíram para o balanço positivo de C no solo em plantio direto, característica que é potencializada pela utilização de sistemas de cultura com leguminosas como plantas de cobertura, que favorecem o acúmulo de C no solo por permitirem maior produção de massa das gramíneas cultivadas em sucessão, devido ao fornecimento de N.

Carbon (C) addition through crop residues (residue-C), C dioxide emission (CO2-C) and the soil C stock (soil-C) are components of the C cycle in the soil-plant-atmosphere system. This 18-year study was conducted to identify agricultural practices that could potentially increase C retention in the soil and lessen global warming trends. The three C pools (residue-C, CO2-C and soil-C) under different tillage systems (CT-conventional tillage and NT-no tillage) and cropping systems (O/M-oat (Avena strigosa Schreb)/maize (Zea mays L.) and V/M-vetch (Vicia sativa L.)/maize)) were evaluated and the CO2-C/[residue-C+soil-C] quotient was proposed as C retention index (CRI), where low values indicate a high capacity of the management system to keep C in the soil. The CO2-C emissions were measured for 17 months (between November 2002 and March 2004), sampling of aboveground residues of cover crops and harvest indexes of maize were used to quantify C addition by cropping systems, and soil-C stocks (0-0.2 m) were evaluated in 2003. The soil temperature (0.05 m) and gravimetric water content (0-0.05, 0.05-0.1 and 0.1-0.2 m) were also monitored from May 2003 onwards. In comparison to 1985, the C balance was negative in the soil under CT (-0.31 t ha-1 yr-1 for O/M and -0.10 t ha-1 yr-1 for V/M). On the other hand, the C balance was positive in NT soil, but only under V/M (+0.15 t ha-1 yr-1 ) due to the greater C addition by crop residues. The CO2-C emission was related to the soil temperature (r > 0.85). The total CO2-C emission varied from 3.6 to 4.0 t ha-1 and was not affected by the soil management systems. However, the CRI allowed a clear discrimination of the soil management systems to keep C in the soil. The C retention potential increased in the following order: CT O/M < CT V/M < NT O/M < NT V/M. Results reinforced the importance of symbiotically-fixed N by legume crops for C accumulation in untilled soils due to greater biomass production by succeeding graminaceae.