Introdução

A maior fonte de energia para produção de eletricidade no mundo advém do carvão mineral, que responde por 41% da produção total (^{WEC, 2013}). O Brasil possui uma das maiores reservas de carvão mineral da América Latina (^{Roadmap..., 2012}) e seu uso vem reconquistando espaço no mercado de energia em razão da entrada de termoelétricas no sistema interligado nacional. O Rio Grande do Sul apresenta em torno de 28,56 bilhões de toneladas de reservas de carvão mineral, e somente a Jazida de Candiota detém 38% de todo o carvão nacional (^{CPRM/SGB, 2014}).

Se, por um lado, o uso do carvão garante a segurança energética nos estados do Sul do País, por outro a mineração a céu aberto deste recurso mineral provoca impacto negativo na paisagem, ao eliminar a vegetação e alterar permanentemente a topografia, a geologia e o regime hidrológico da área, mediante a movimentação e remoção de grandes volumes de solo e de rochas (^{Mukhopadhyay et al., 2013}; ^{Zhao et al., 2013}; ^{Zhang et al., 2015}). Além do impacto visual, há problemas associados à drenagem ácida de áreas adjacentes (^{Daniels & Zipper, 2010}) e à erosão e compactação do solo construído (^{Sheoran et al., 2010}; ^{Krümmelbein & Raab, 2012}). Além disso, perdas de carbono ocorrem durante a remoção, armazenamento e recolocação do solo na área minerada (^{Anderson et al., 2008}; ^{Wick et al., 2009}; ^{Maharana & Patel, 2013}).

A implantação de cobertura vegetal sobre superfícies mineradas é uma medida necessária para a recuperação das áreas degradadas (^{Corrêa & Bento, 2010}), e é adotada no Brasil em áreas de mineração de ferro (^{Silva et al., 2006}), em áreas de empréstimo (^{Alves et al., 2007}; ^{Bonini & Alves, 2011}), em áreas de mineração de cassiterita (^{Longo et al., 2011}) e em áreas de mineração de carvão (^{Lunardi Neto et al., 2008}; ^{Oliveira Filho et al., 2014}; ^{Stumpf et al., 2014c}).

A maioria dos trabalhos sobre recuperação de áreas mineradas de carvão no Brasil concentrou-se no problema da geração da drenagem ácida de mina (^{Quiñones et al., 2008}; ^{Campaner & Luiz-Silva, 2009}; ^{Costa & Zocche, 2009}; ^{Inda et al., 2010}; ^{Moura, 2014}), que acidifica o meio (^{Pinto & Kampf, 2002}) e libera grandes concentrações de Fe, Mn e Al no solo e nas águas de drenagem (^{Chen et al., 2013}), com implicações negativas no desenvolvimento da vegetação e na recuperação da área degradada (^{Inda et al., 2010}). Entretanto, o alto grau de compactação do solo construído resultante da utilização de máquinas pesadas no processo de extração de carvão e recomposição topográfica da área minerada também é considerado um sério problema para a recuperação de áreas degradadas por mineração, no Brasil e no mundo (^{Wick et al., 2009}; ^{Sheoran et al., 2010}; ^{Borůvka et al., 2012}; ^{Stumpf et al., 2014c}).

^{Krümmelbein & Raab (2012)} observaram que as propriedades físicas de um solo construído na Alemanha ainda eram muito variáveis após quatro anos de revegetação. No Brasil, ^{Stumpf et al. (2014a}, ^2014c) observaram condições físicas inadequadas (elevada densidade do solo, baixa macroporosidade e presença de agregados formados por compressão) em solos construídos revegetados com 2 e 6,5 anos. Portanto, o simples aspecto visual da vegetação, na área considerada recuperada após a mineração, pode não expressar uma síntese do restabelecimento das funções do solo no ambiente; ou seja: é necessário que se monitore as condições gerais do solo (física, química e biológica) ao longo dos anos para se chegar a uma indicação mais segura (^{Almeida & Sánchez, 2005}).

Nos Estados Unidos, desde 1977, a legislação requer que a recuperação de solos minerados ocorra dentro de um período razoável de tempo, e que sua produtividade seja igual ou superior ao período anterior à mineração (^{Dunker & Barnhisel, 2000}). No Brasil, o Plano de Recuperação de Áreas Degradadas (^{Brasil, 1989}) prevê o retorno do solo minerado a uma forma com potencial de uso sustentável, não necessariamente agrícola, de acordo com um plano preestabelecido (^{Sánchez, 2010}). No caso da mina de Candiota, RS, o Plano de Controle Ambiental que contempla o Plano de Recuperação das áreas e seus usos futuros atribui que, depois de recuperadas, as áreas mineradas sejam destinadas à formação de pastagens, as quais darão suporte às atividades ligadas à pecuária extensiva, tão logo apresentem condições para tal (^{Castro, 2012}).

O objetivo deste trabalho foi avaliar a condição física e a potencialidade de uso agrícola de solo construído após mineração com carvão, além do desenvolvimento radicular de gramíneas nesse solo, tendo-se considerado diferentes períodos de revegetação.

Material e Métodos

O estudo foi realizado em uma área de mineração de carvão, sob concessão da Companhia Riograndense de Mineração (CRM), localizada em Candiota, RS, com as seguintes coordenadas geográficas: 31°33'56"S e 53°43'30"W.

De acordo com a ^{Companhia Riograndense de Mineração (2014)}, a mineração é realizada a céu aberto na forma de tiras, envolvendo as seguintes etapas: a) remoção dos horizontes A, B e/ou C do solo original, os quais são destinados para cobertura final de uma área minerada topograficamente aplainada; b) remoção das rochas por meio de escavadeira de alta capacidade; c) extração dos bancos de carvão; d) na cava aberta pela extração do carvão na tira anterior, depositam-se os estéreis (mistura de rochas e carvão não aproveitados), que são aplainados por tratores de esteira para a recomposição topográfica da área; e) finalizando a recomposição do perfil do solo, deposita-se uma camada de solo (horizonte A e/ou B), retirada da frente de lavra do carvão, originando assim o "solo construído" (^{Stumpf et al., 2014c}).

O processo de mineração e de recomposição ambiental é sequencial e concomitante, não se utilizando a armazenagem de solo. A finalização de todo o processo pode durar mais de um ano e a etapa final de deposição e espalhamento do solo depende das condições climáticas e da velocidade de avanço da lavra. Eventualmente, quando ocorre uma falta de sincronia no processo, pode ser utilizada uma parte do horizonte B para a cobertura superficial, como foi o caso ocorrido na área de estudo. A cor do solo (2,5YR 3,5/6) e a classe textural argilosa (Tabela 1) são compatíveis com o horizonte B do Argissolo Vermelho Eutrófico típico predominantemente encontrado na região.

Tabela 1 Caracterização física e química do solo construído nas camadas de 0,00–0,10 m, 0,10–0,20 m e 0,20–0,30 m após 58 meses de revegetação. 

Antes da instalação do experimento, a área estava muito compactada em razão da circulação de máquinas durante a construção do solo (caminhões carregados com aproximadamente 20 toneladas de terra vegetal e tratores de esteira metálica do modelo D8T da Caterpillar com peso de 38 toneladas). Por essa razão, o solo construído foi escarificado com patrola a uma profundidade aproximada de 0,15 m, seguido por calagem correspondente a 10,4 Mg ha^-1 de calcário com PRNT de 100% e uma adubação de 900 kg ha^-1 da fórmula N-P₂O₅-K₂O 5-20-20, com base em resultados obtidos pela análise de solo. Adubações de 250 kg ha^-1 da fórmula N-P₂O₅-K₂O 5-30-15 e 250 kg ha^-1 de sulfato de amônio também foram realizadas anualmente em todas as parcelas da área experimental.

O experimento foi instalado entre setembro/outubro de 2007 em parcelas de 20 m², em delineamento de blocos ao acaso, com quatro repetições. A condição física do solo construído foi avaliada nas parcelas ocupadas por gramíneas perenes de verão em cultivo solteiro como Urochloa humidicola, Panicum maximum e U. brizantha. No intuito de avaliar as mudanças decorrentes da construção do solo e o tempo aproximado de recuperação dos atributos do novo perfil formado, foi utilizado como testemunha um solo construído sem cobertura vegetal, localizada em área adjacente ao experimento.

Em julho de 2012 foram coletadas 48 amostras com estrutura não preservada nas camadas de 0,00-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m para a caracterização química do solo construído e o teor de carbono orgânico (^{Tedesco et al., 1995}). Também foram coletados 96 amostras com estrutura preservada nas camadas de 0,00-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m em cilindros de aço (0,050 m de altura e 0,047 m de diâmetro) para a determinação da densidade do solo (Ds), da porosidade total (PT), da macroporosidade (Ma) e da microporosidade (Mi), segundo ^{Donagema et al. (2011)}. Foram obtidos dados de resistência do solo à penetração (RP) em três pontos amostrais por parcela, totalizando 48 pontos amostrais. A resistência à penetração no solo foi determinada até a profundidade de 0,30 m utilizando o método do penetrômetro de impacto (^{Stolf, 1991}). Os resultados foram apresentados em valores médios para as camadas avaliadas.

Com a finalidade de avaliar o desenvolvimento do sistema radicular das diferentes espécies vegetais e sua relação com a condição física atual do solo construído, realizou-se a amostragem de raízes em julho de 2012, através do método do monólito (^{Böhm, 1979}), com o auxílio de placas com pregos (0,40 m de comprimento × 0,30 m de altura × 0,035 m de largura). Foi retirada uma placa por parcela totalizando 12 placas de pregos (quatro repetições por tratamento). Após a coleta dos monólitos, estes foram embalados com filme plástico e encaminhados ao laboratório para procedimento de lavagem e separação das raízes. A lavagem consistiu em saturar a placa por 24h em solução de NaOH 0,2 mol L^-1 para dispersar o solo e facilitar a lavagem das raízes e, após este período, estas foram lavadas com água corrente ou jatos leves de água para retirada do solo da placa. Os pregos permitiram uma adequada fixação das raízes no momento da lavagem, o que também foi obtido com o uso de uma malha de metal no fundo e na frente da placa. Finalizado o processo de lavagem, as raízes distribuídas no monólito foram separadas por camadas, cortadas e lavadas em uma peneira com abertura de 1mm, armazenadas em sacos plásticos e refrigeradas à temperatura de 2°C. Posteriormente, as raízes foram digitalizadas em scanner HP Scanjet 3570C para determinação de volume e comprimento radicular, através do programa Safira. Após o escaneamento, as raízes foram secadas em estufa a 65°C por um período de 72h, para obtenção da massa seca de raízes. Pela relação dos valores de massa seca de raízes e o volume de solo que estas ocupavam, obteve-se a densidade radicular de cada camada avaliada.

Os dados foram submetidos à análise de variância e as médias foram comparadas pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade. As análises foram realizadas por meio do software Sigmaplot version 9.01 (Systat Software, Washington, EUA). Considerando o fato de o solo testemunha − solo construído sem cobertura vegetal − não fazer parte do delineamento experimental, neste tratamento não foram aplicados procedimentos estatísticos em relação aos demais tratamentos.

Resultados e Discussão

A calagem, realizada em 2003, ainda mostrou-se efetiva, principalmente até os 0,10 m de profundidade (Tabela 1), mesmo após 58 meses de revegetação (julho de 2012). De acordo com os valores de referência (VRef) apresentados pela Comissão de química e fertilidade de solos para o Estado do RS (^{Manual..., 2004}), na camada de 0,00-0,10 m, os valores de pH estão acima do VRef para gramíneas perenes de verão (pH>5,5), bem como os teores de Ca e Mg (respectivamente >4,0 cmol_c kg^-1 e >1,0 cmol_c kg ^-1), de K (61-121 mg kg ^-1) e a saturação por bases (V) (>80%). Em consonância com esses resultados, os valores de saturação por alumínio (m) estiveram muito baixos (<1%). Na camada de 0,10-0,20 m os valores de pH ficaram próximos ao VRef, os teores de Ca e Mg mostraram-se elevados, o teor de K foi considerado médio (41-60 mg kg^-1), o V foi baixo (45-64%) e o m, médio (10,1-20%). Já a camada de 0,20-0,30 m apresentou baixo pH, baixa V e alto m, em comparação aos valores de VRef, o que evidencia a possível ocorrência de drenagem ácida de mina, devido à presença de estéreis em algumas repetições dos monólitos de solo (Tabela 1).

Entre as espécies vegetais, a Urochloa brizantha apresentou a maior densidade radicular (DR), assim como maior volume radicular (VR) que Panicum maximum, na camada de 0,00-0,10 m (Tabela 2). Todavia, apesar do destaque dos atributos radiculares da U. brizantha na camada de 0,00-0,10 m, somente a resistência à penetração (RP) foi sensível a este resultado. Isto é, o solo sob seu cultivo apresentou uma RP de 1,28 MPa, enquanto as demais espécies apresentaram 1,77 e 2,31 MPa (Tabela 3).

Tabela 2 Valores médios de densidade radicular, volume radicular e comprimento radicular de três gramíneas perenes nas camadas de 0,00–0,10, 0,10–0,20 e 0, 20–0,30 m do solo construído, após 58 meses de revegetação⁽¹⁾. 

⁽¹⁾Médias seguidas de letras iguais, na coluna, não diferem pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade. ^nsNão sigificativo.

Tabela 3 Valores médios de densidade do solo, porosidade total, macroporosidade, microporosidade, resistência do solo à penetração e teor de carbono orgânico nas camadas de 0,00–0,10 m, 0,10–0,20 m e 0,20–0,30 m de um solo construído após 58 meses de revegetação⁽¹⁾. 

⁽¹⁾Médias seguidas de letras iguais, na coluna, não diferem pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade. ^nsNão significativo. Testemunha, solo construído sem cobertura vegetal; Δtest (%), aumento (+) ou diminuição (-) em relação ao solo testemunha.

A RP é um atributo importante para avaliar a qualidade física do solo por ser sensível às modificações no solo (^{Silva et al., 2014}) e ter relações diretas com o crescimento radicular (^{Freddi et al., 2007}). Na literatura são muitos os trabalhos que abordam o quão restritivo é o desenvolvimento radicular da maioria das culturas agrícolas, com solos acima de 2,0 MPa de RP (^{Reichert et al., 2009}; ^{Otto et al., 2011}; ^{Lima et al., 2013}; ^{Girardello et al., 2014}). No presente estudo, os valores de RP abaixo da camada de 0,10 m oscilaram de 3,72 a 5,24 MPa (Tabela 3), o que indica forte restrição ao desenvolvimento radicular das espécies, em profundidade.

A profundidade de enraizamento é outro importante indicador de qualidade física do solo (^{Bottega et al., 2011}) pois muitas vezes as espécies vegetais, mesmo quando estabelecidas em ambientes estressantes, podem apresentar a alta densidade de raízes na superfície do solo (^{Fontoura, 2014}). Em solos agrícolas, este é um problema relatado com frequência, como, por exemplo, por ^{Gonçalves et al. (2006)}, que observaram maior concentração de raízes de gramíneas (Eleusine coracana e Pennisetum americanum) próxima à superfície de um solo com textura muito argilosa, devido à compactação da camada subsuperficial. ^{Nunes et al. (2015)} observaram maior concentração de raízes de milho (Zea mays) (63,8%) na camada 0,00-0,07 m, decorrente da degradação física em subsuperfície de um Latossolo sob plantio direto.

Em geral as gramíneas apresentam 44% de massa radicular concentrada na camada até 0,10 m, e 75% nos primeiros 0,30 m (^{Peek et al., 2005}; ^{Jackson et al., 1996}). Em relação às gramíneas avaliadas neste estudo, a concentração de massa de raízes na camada de 0,00-0,10 m variou de 66,0 a 80,8%, tendo diminuído para 13,4 a 28,3%, na camada de 0,10-0,20 m, e para 5,65 a 9,74% na camada de 0,20-0,30 m (Tabela 3). Essa diminuição do desenvolvimento radicular em profundidade, além de ser uma característica da maioria das plantas, deve-se também aos maiores valores de RP verificados nas camadas inferiores a 0,10 m, além dos valores de macroporos (Ma) inferiores a 0,10 m³ m^-3 e valores de densidade do solo (Ds) superiores a 1,40 Mg m^-3, considerados restritivos ao desenvolvimento radicular da maioria das culturas agrícolas em solos de textura argilosa (^{Reichert et al., 2003}; ^{Girardello et al., 2011}; ^{Baquero et al., 2012}). Segundo ^{Calonego et al. (2011)}, o desenvolvimento radicular está diretamente relacionado à condição estrutural do solo, pois o caminho natural de crescimento das raízes é predominantemente pelos macroporos, que é dependente da densidade do solo (^{Reinert et al., 2008}).

Mediante os resultados observados nas Tabelas 2 e 3, evidencia-se a existência de uma zona compactada abaixo da camada de 0,10 m, possivelmente reflexo do excessivo tráfego de máquinas pesadas durante a construção do solo, e da ineficiência do processo de escarificação nessa camada, conforme relatado por ^{Stumpf et al. (2014c)}.

Para estimar o tempo de recuperação dos atributos físicos do solo, foram comparados dados obtidos aos 58 meses de revegetação com dados obtidos por ^{Stumpf et al. (2014c)}, aos 24 meses de revegetação (Figuras 1 e 2), no qual se verificaram reduções de 4,46 a 7,91% da Ds (Figura 1 A) e incremento de 30 a 50% nos valores de Ma (Figura 2 A), na camada mais superficial do solo construído; enquanto que a camada mais subsuperficial apresentou uma diminuição de 3,75 a 6,06% da Ds (Figura 1 B) e incremento de 16,6% na Ma sob Urochloa humidicola (Figura 2 B). Essa diminuição dos valores de Ds, e incremento nos valores de Ma, principalmente na camada de 0,00-0,10 m (Figuras 1 e 2), pode ser atribuída ao maior desenvolvimento radicular de todos os tratamentos entre os 24 e 58 meses de condução do experimento. ^{Bonini & Alves (2012)} avaliaram a qualidade física de um solo de textura média sob adubação verde (mucuna, feijão-de-porco e aveia) e pastagem (Urochloa spp.) ao longo de 17 anos, e constataram recuperação mais significativa na camada de 0,00-0,10 m. A alta densidade de raízes de gramíneas pode influenciar na estruturação do solo (^{Vezzani & Mielniczuk, 2011}), pois as raízes, ao crescerem, influenciam na reorganização da rede de poros do solo (^{Perkons et al., 2014}) por meio da formação de bioporos com ampla variação de tamanho (^{Lima et al., 2013}).

Figura 1 Densidade do solo construído na camada superficial (0,00-0,05 m e 0,00-0,10 m) (A) e na camada subsuperficial (0,10-0,15m e 0,10-0,20 m) (B), após 24 e 58 meses de revegetação. Adaptado de ^{Stumpf et al. (2014b)}. 

Figura 2 Macroporosidade do solo construído na camada superficial (0,00-0,05 m e 0,00-0,10 m) (A) e na camada subsuperficial (0,10-0,15m e 0,10-0,20 m) (B), após 24 e 58 meses de revegetação. Adaptado de ^{Stumpf et al. (2014b)}. 

Apesar da redução dos atributos radiculares em profundidade, a Urochloa humidicola apresentou maior VR em comparação às demais espécies, assim como apresentou maior comprimento radicular (CR) que U. brizantha, mas não diferiu do Panicum maximum na camada de 0,10-0,20 m (Tabela 2). Contudo, todos os tratamentos proporcionaram reduções nos valores de Ds, dos 24 aos 58 meses de revegetação (Figura 1 B). Este resultado concorda com ^{Pereira (2013)}, que observou em solo de textura argilosa que as Urochloas sp. e o Panicum maximum são importantes agentes na estruturação do solo até a profundidade de 0,30 m. ^{Bonini & Alves (2012)} também observaram uma redução na Ds na camada de 0,10-0,20 m, ao longo de oito anos de revegtação, e atribuíram esse resultado ao desenvolvimento radicular em profundidade da Urochloa sp.

A redução nos valores de Ds na camada mais inferior do solo construído pode também estar ligada às modificações provocadas pelos ciclos de umedecimento e secagem, comuns em solos argilosos. ^{Gubiani et al. (2015)} observaram que repetidos ciclos de contração e expansão diminuem gradativamente a densidade do solo, revertendo o processo de compactação em solos de textura argilosa. Este efeito pode ter permitido o desenvolvimento de raízes nas fendas oriundas desse processo, como foi observado na análise visual dos monólitos. Todavia, o incremento de Ma na camada de 0,10-0,20 m do solo sob Urochloa humidicola, dos 24 aos 58 meses de condução do experimento (Figura 2 B), deve-se possivelmente à influência dos ciclos de umedecimento e secagem do solo somado ao maior desenvolvimento radicular desta espécie, conforme já apresentado na Tabela 2.

O efeito positivo das espécies vegetais na recuperação da estrutura do solo construído, inclusive em profundidade, fica mais evidente quando observadas as diferenças entre os valores dos atributos físico-químicos dos tratamentos e do solo construído sem cobertura vegetal (testemunha). Isto é, na camada de 0,00-0,10 m os solos sob gramíneas proporcionaram 8,05 a 14,09% menor Ds; 23,91 a 28,53% maior porosidade total (PT); 36,90 a 50,00% maior macroporosidade (Ma); 41,96 a 67,84% menor RP e 44,53 a 101,82% maior teor de CO que o solo testemunha. Na camada de 0,10-0,20 m, o efeito foi menos pronunciado devido à permanência de uma zona mais compactada; contudo, o solo sob gramíneas ainda apresentou Ds de 1,90 a 3,80% menor; PT de 4,90 a 8,45% maior; Ma de 14,29 a 64,29% maior; RP de 5,74 a 6,38% menor e CO de 0,59 a 42,17% maior que o solo construído sem cobertura vegetal (Tabela 3). ^{Bonini & Alves (2012)} também observaram influência positiva nos atributos físicos de um solo, até a profundidade de 0,20 m, sob diferentes espécies vegetais, quando comparado ao solo sem cobertura vegetal.

Abaixo da camada de 0,20 m, onde a presença de raízes é muito reduzida (Tabela 2), não se pode afirmar que a presença de rejeitos pode ter influenciado essa condição, pois o crescimento foi igualmente reduzido, independentemente da presença de rejeitos nesta camada, conforme observação realizada nos monólitos.

A recuperação de solos impactados pela mineração a céu aberto passa pela mitigação dos problemas físicos que resultam da construção dos solos (^{Campos et al., 2010}; ^{Stumpf et al., 2014a}). Os dados observados nesse estudo mostram que, apesar de as espécies terem recoberto a superfície da área avaliada, o maior desenvolvimento radicular e as condições físicas do solo menos restritivas concentraram-se apenas na camada mais superficial do solo, de 0,00-0,10 m, o que indica que a reversão do processo de degradação ainda não ocorreu em profundidade. Todavia, a ocorrência de um perceptível desenvolvimento no comprimento radicular abaixo da camada de 0,10 m (Tabela 2) significa que as gramíneas podem explorar as camadas mais profundas do solo, mesmo em condições físicas adversas. Dessa forma, a produção de biomassa subterrânea pode se constituir uma alternativa eficiente e de baixo custo para minimização da compactação, mas com um longo tempo demandado para que ocorram melhorias na qualidade estrutural do solo. Portanto, o uso agrícola mais intensivo da área minerada em questão requer cautela.

Conclusões