Relações entre matéria orgânica do solo e declividade de vertentes em toposseqüência de Latossolos do Sul de Minas Gerais

Relationship between soil organic matter and slope steepness in a toposequence of Oxisol in southern Minas Gerais, Brazil

SEÇÃO V - GÊNESE, MORFOLOGIA E CLASSIFICAÇÃO DO SOLO

Relações entre matéria orgânica do solo e declividade de vertentes em toposseqüência de Latossolos do Sul de Minas Gerais¹

Relationship between soil organic matter and slope steepness in a toposequence of Oxisol in southern Minas Gerais, Brazil

Alexandre Christofaro Silva^I; Pablo Vidal Torrado^II; Martha González Pérez^III; Ladislau Martin Neto^III; Felipe Macias Vasquez^IV

^IProfessor da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – UFVJM, Caixa Postal 38, CEP 39100-000 Diamantina (MG). E-mail: [e-mail]

^II Professor do Departamento de Solos e Nutrição de Plantas, Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz – ESALQ/USP. Caixa Postal 09, CEP 13418-900 Piracicaba (SP). E-mail: [e-mail]

^IIIPesquisador da Embrapa Instrumentação Agropecuária. Caixa Postal 741, CEP 13560-970 São Carlos (SP). E-mail: [e-mail]

^IVProfessor do Departamento de Edafoloxia e Facultad de Bioloxia, Universidad de Santiago de Compostela. CP 15706, Santiago de Compostela, Espanha. E-mail: [e-mail]

RESUMO

O acúmulo e a estabilidade da matéria orgânica do solo estão relacionados com a declividade de vertentes. Por essa razão, foram avaliadas quantitativamente relações entre a declividade e o grau de humificação de ácidos húmicos, o conteúdo de fragmentos de carvão e suas idades radiocarbônicas. Foram amostrados quatro Latossolos situados nas posições de topo, ombro, meia encosta e sopé de uma toposseqüência com pastagens, de uma área cratônica do Sul de Minas Gerais. Os Latossolos são originados de gnaisses do Complexo Cristalino, da Era Pré-Cambriana, e apresentam regime hídrico údico e regime térmico isotérmico. Foram coletadas amostras de horizontes e sub-horizontes dos quatro perfis, para caracterização química e física, extração de ácidos húmicos e determinação do conteúdo dos radicais livres do tipo semiquinona. Fragmentos de carvão foram coletados nesses mesmos sub-horizontes, para quantificação gravimétrica, avaliação dos teores de C e N e para datações radiocarbônicas. Os resultados deste estudo demonstram que, em toposseqüências de Latossolos do Sul de Minas Gerais, a acumulação e o grau de humificação da matéria orgânica do solo estão fortemente correlacionados com a declividade da vertente, enquanto a quantidade e a idade radiocarbônica de fragmentos de carvão estão relacionadas a processos de gênese dos solos e à posição na vertente.

Termos de indexação: ácidos húmicos do solo, carvão do solo, grau de humificação, EPR, datação radiocarbônica.

SUMMARY

The accumulation and stability of soil organic matter are related to slope steepness. The relationships between steepness and the humification degree of humic acids, the charcoal fragment content and its radiocarbon age were quantitatively evaluated. Four Latosols (Oxisols) of the summit, shoulder, back slope and back/foot slope of a toposequence under pasture in a cratonic area in the southern Minas Gerais state, southwest Brazil, were used. The parent material of the Latosols was gneiss of the Precambrian complex, with an udic hydric regime and isothermic thermic regime. Samples were collected from every horizon and subhorizon of the four Latosols for chemical and physical characterization, humic acid extraction and determination of the semiquinone free radical content. Likewise, charcoal fragments were collected for gravimetric, nitrogen and carbon content quantification and radiocarbon dating. Our results show the close relationship of the accumulation and humification degree of soil organic matter in Latosol landscapes to slope steepness, whereas the quantity and radiocarbon age of charcoal fragments were related to the processes of soil genesis and soil position in the slope.

Index terms: soil humic acids, soil charcoal, humification degree, EPR, ¹⁴C dating.

INTRODUÇÃO

O relevo é o fator de formação que controla a distribuição de matéria no sistema solo. A utilização de seus atributos, como a declividade, para estabelecer relações com os processos pedogenéticos tem facilitado o entendimento da pedogênese. O acúmulo e o grau de humificação da matéria orgânica, por exemplo, correlacionam-se com a declividade do terreno (Buol et al., 1980; Jenny, 1980; Curi & Franzmeier, 1984; Lepsch & Buol, 1986; Daniels & Hammer, 1992; Silva & Vidal Torrado, 1999; Silva et al., 2002). Geralmente, em áreas de boa drenagem e mantidos constantes os demais fatores de formação dos solos, quanto menor a declividade, maior é a taxa de acúmulo e o grau de humificação da matéria orgânica.

No topo plano de vertentes ocupadas por solos acentuadamente drenados, como os Latossolos, a erosão hídrica é incipiente, o que favorece o acúmulo de matéria orgânica, que, com o passar do tempo, vai sendo cada vez mais humificada. Na meia encosta dessas vertentes, a erosão hídrica remove parcialmente a matéria orgânica do solo, dificultando seu acúmulo e sua humificação (Buol et al., 1980; Bertoni & Lombardi Neto, 1995).

Dessa forma, o conteúdo de C orgânico seria maior e a estrutura da matéria orgânica mais complexa no topo plano de uma vertente formada por Latossolos, ao passo que na meia encosta o conteúdo de C seria menor e a estrutura da matéria orgânica seria mais simples.

Silva (1997) e Silva & Vidal Torrado (1999), estudando vertentes atualmente estáveis pertencentes a uma área cratônica do Sudeste do Brasil, reportaram teores de C orgânico mais elevados em perfis de solo situados no topo da vertente, enquanto nos perfis de solo situados na meia encosta esses teores foram menores. Nesses perfis, fragmentos de carvão são comumente encontrados em diferentes profundidades.

Fragmentos de carvão são de ocorrência comum em muitos solos tropicais, particularmente em Latossolos (Sanford et al., 1985; Bassini & Becker, 1990; Boulet et al., 1995; Behling 1997a,b; Silva & Vidal Torrado, 1999; Barberi et al., 2000; Gouveia, 2001). Seus conteúdos e suas idades radiocarbônicas mostraram-se mais altos em Latossolos situados em topos de menor declividade e mais baixos naqueles localizados em segmentos de vertente de maior declividade (Bassini & Becker, 1990; Pessenda et al., 1996; Silva & Vidal Torrado, 1999), já que estariam menos sujeitos à erosão hídrica e permaneceriam na paisagem por mais tempo.

Riffaldi & Schnitzer (1972) reportam que radicais livres do tipo semiquinona são estabilizados como estruturas aromáticas complexas em substâncias húmicas. Assim, a concentração de radicais livres do tipo semiquinona (nº spins), que pode ser mensurada por meio da espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR), é uma propriedade da matéria orgânica do solo que está relacionada com o seu grau de humificação (Senesi, 1990a,b).

Há forte correlação positiva entre a concentração de spins e a aromaticidade (Senesi, 1990a,b; Martin-Neto et al., 1994, 1998). Então, a concentração de spins da matéria orgânica do solo deve diminuir com o aumento da declividade e com a conseqüente diminuição da estabilidade em diferentes posições de uma vertente.

No presente trabalho, foram testadas as seguintes hipóteses: o acúmulo e o grau de humificação da matéria orgânica do solo aumentariam com a diminuição da declividade em vertentes latossólicas; e a quantidade de carvão no solo e sua idade também aumentariam com a diminuição da declividade. A primeira hipótese foi testada correlacionando a declividade com o teor de C dos solos e com o grau de humificação dos ácidos húmicos. A segunda hipótese foi testada correlacionando a quantidade de carvão do solo e suas idades radiocarbônicas com a declividade. Considerando que a declividade é um atributo do relevo que está relacionado com a acumulação e a estabilidade da matéria orgânica no solo, o objetivo deste trabalho foi avaliar quantitativamente relações entre a declividade, o grau de humificação dos ácidos húmicos e o conteúdo e a idade radiocarbônica dos fragmentos de carvão.

MATERIAL E MÉTODOS

Caracterização da área estudada

Neste trabalho foram utilizados quatro solos sob pastagens de uma área cratônica do Sul de Minas Gerais, com latitude sul entre 21 º 37 ' e 21 º 41 ' e longitude oeste de Greenwich entre 44 º51 ' e 44 º 57 ' (Figura 1). O clima é subtropical moderado úmido, de acordo com a classificação de Köppen. Os solos apresentam regime hídrico údico e regime térmico isotérmico (Resende et al., 1988) e são originados de gnaisses do Complexo Cristalino, do Pré-Cambriano.

Esses solos correspondem a uma toposseqüência comumente encontrada na Superfície Dissecada de Topografia Montanhosa (Camargo et al., 1962), cujo afeiçoamento teria se iniciado no Plioceno, com o recuo das encostas e a instalação da rede de drenagem. Os mecanismos que ativaram o intemperismo a a erosão/dissecação teriam sido as alternâncias entre climas úmidos e semi-áridos (Bigarella et al., 1965a,b) e os movimentos tectônicos residuais, persistentes até os dias atuais (Mioto, 1984, 1990; Saadi, 1991). Os movimentos tectônicos seriam reponsáveis por movimentos de massa que transportaram a cobertura latossólica a curta distância. Silva & Vidal Torrado (1999) e Silva (1997) reportaram a presença de espelhos de falha no saprolito e no horizonte Bw, bem como mudanças na mineralogia da fração argila e na relação Ti/Zr em profundidade em P3, que constituem evidências da ação da tectônica ressurgente na região estudada.

Os perfis dos solos estudados (incluindo horizontes e sub-horizontes) foram descritos, amostrados e classificados nas posições de topo (P10), ombro (P9), meia encosta (P8) e meia encosta/sopé (P3) (Figura 1), de acordo com Embrapa (1999a): Latossolo Vermelho distrófico húmico textura muito argilosa (P10), Latossolo Vermelho distrófico típico textura muito argilosa (P9), Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico típico textura muito argilosa (P8) e Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico húmico textura muito argilosa (P3). Esses solos apresentam a seguinte classificação, de acordo com a Soil Taxonomy (Soil Survey Staff, 1994): Humic Rhodic Hapludox, Rhodic Hapludox, Xantic Hapludox e Humic Xantic Hapludox. No quadro 1 são apresentados atributos da paisagem e dos solos estudados.

Amostragem

Amostras de solo foram coletadas nos diferentes horizontes e sub-horizontes dos quatro perfis, para extração dos ácidos húmicos e determinação da concentração de radicais livres do tipo semiquinona. Os fragmentos de carvão também foram coletados nos diferentes horizontes e sub-horizontes do solo, com auxílio de pinças, em amostras de 10 kg de solo. Posteriormente, foram lavados, secos em estufa a 65 ºC e pesados. Uma parte foi moída, para determinação dos conteúdos elementares de C e N, de acordo com Nelson & Sommers (1996), e a outra foi mantida intacta, para determinação das idades radiocarbônicas.

Determinações analíticas

As análises granulométricas e químicas de rotina (pH, C, P disponível, elementos do complexo sortivo e acidez total) foram feitas de acordo com o método descrito por Embrapa (1999b), nos laboratórios de solos da Universidade de Alfenas.

Os ácidos húmicos (HAs) foram extraídos com 0,1 mol L^-1 de NaOH em atmosfera inerte de N₂ e precipitado com 6 mol L^-1 de HCL. Posteriormente, os HAs foram tratados com solução 1:1 de HCl/HF, para abaixar o conteúdo de cinza a menos de 5 %, e liofilizados (Swifit, 1996).

Medidas de EPR para determinação da concentração de radicais livres do tipo semiquinona (RLS) foram realizadas à temperatura ambiente em um espectrômetro EPR Century Varian E-109. Tubos de quartzo do EPR foram preenchidos até 0,5 cm de altura com amostras de ácidos húmicos. O espectrômetro foi operado em X-Band (9 GHz), utilizando-se as seguintes condições experimentais: campo magnético centrado a (H_o) = 3.400 Gauss, freqüência de modulação (n) = 9.519 GHz, janela espectral (DH) = 100 Gauss, amplitude de modulação (MA) = 0,5 Gauss pico a pico e força de microondas (P) = 0,2 mW. A concentração absoluta dos sinais de radicais livres, usada para estimar o grau de humificação dos HAs, foi medida utilizando um cristal de rubi como padrão secundário calibrado por meio do pico intenso do Varian, e a área relativa do sinal do EPR foi calculada pela integração da segunda derivada do sinal de absorção.

A composição elementar (C e N) foi determinada em todas as amostras de solos (fração < 2 mm de diâmetro), ácidos húmicos e fragmentos de carvão, utilizando um analisador elementar LECO CHN 1000 do Departamento de Edafologia da Universidade de Santiago de Compostela, Espanha.

As datações radiocarbônicas por ¹⁴C foram feitas no Center for Isotope Research, Groningen, Netherlands, em fragmentos de carvão de todos os horizontes e sub-horizontes dos Latossolos húmicos e em fragmentos de carvão do horizonte Bw dos Latossolos não-húmicos.

Determinação da declividade

A declividade foi determinada em todas as posições da vertente por meio de várias medições, empregando-se um clinômetro CST. Os valores obtidos apresentaram amplitude de variação muito pequena.

Análises estatísticas

Os valores modais da declividade nas diferentes posições da vertente foram correlacionados com os teores máximos, médios e mínimos de C total de cada perfil de solo e com as concentrações máximas, médias e mínimas de radicais livres do tipo semiquinona dos ácidos húmicos de cada perfil de solo, uma vez que os teores de C diminuem com a profundidade e as concentrações de RLS variam ao longo do perfil. A ANOVA foi efetuada utilizando-se o software SAEG 6.0, e o valor de F foi corrigido mediante o programa Fcalc versão 1.1. As regressões foram ajustadas utilizando-se o programa TableCurve 3.01 (Jandel Corporation).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Todos os solos estudados apresentam teores de C e N mais elevados na superfície, diminuindo em profundidade (Quadro 1). Com exceção do horizonte Ap, a relação C/N dos solos situados nas posições da vertente de maior declividade (P3 e P8) também diminui em profundidade, mas nos solos das posições de menor declividade (P10 e P9) essa relação aumenta até a base do horizonte AB, diminuindo a partir do horizonte BA, até o Bw. Esse comportamento sugere maior resiliência da matéria orgânica em profundidade, nas posições mais estáveis da paisagem.

Os Latossolos húmicos (P10 e P3) possuem maiores quantidades de carvão em todos os horizontes e sub-horizontes e os valores estão em consonância com aqueles obtidos por Pessenda et al. (1996) em Latossolos situados nas proximidades do local desses estudos (Quadro 2). O perfil P10 apresenta as maiores quantidades de carvão, possivelmente por se situar no topo plano, onde as perdas de solo por erosão foram e são comparativamente menores do que em outras posições da vertente. Os Latossolos não-húmicos (P8 e P9) apresentam os menores teores de carvão abaixo de 34 cm de profundidade.

A variação do teor de C orgânico nos fragmentos de carvão em todos os horizontes dos perfis estudados é pequena (entre 386 e 527 g kg^-1 de solo – Quadro 2), evidenciando homogeneidade de cobertura vegetal (Behling, 1995) no decorrer do tempo.

Nos Latossolos com horizonte A húmico, os teores de N dos fragmentos de carvão são mais baixos, diminuindo com a profundidade, enquanto os valores da relação C/N do carvão são mais elevados em comparação com os dos Latossolos desprovidos de horizonte A húmico, aumentando com a profundidade. A diminuição do teor de N provavelmente está associada ao maior tempo de interação do carvão com a biota do solo, durante o qual também podem ter ocorrido reações químicas com a solução do solo.

As datações radiocarbônicas dos fragmentos de carvão (Quadro 2) mostram que as idades dos Latossolos com horizonte A húmico são mais elevadas e aumentam com a profundidade, o que evidencia seu maior tempo de interação com a biota do solo. As idades dos fragmentos de carvão do horizonte subsuperficial dos Latossolos não-húmicos são inferiores àquelas encontradas para os mesmos horizontes e profundidades dos Latossolos húmicos.

Enquanto em P10 a idade radiocarbônica dos fragmentos de carvão eleva-se gradualmente com a profundidade, em P3 ela aumenta bruscamente de 2.260 anos AP no horizonte superficial (horizonte Ap) para mais de 40.000 anos AP nos horizontes BA e Bw. O perfil P10 situa-se no topo (2 % de declividade) e o perfil P3 situa-se na meia encosta/sopé (10 % de declividade), esta última exposta a processos de erosão e de deposição de materiais provenientes da parte superior da vertente. O aumento brusco da idade radiocarbônica em P3 poderia estar relacionado com movimentos da cobertura pedológica vertente abaixo, provavelmente devido à ação da tectônica ressurgente (Silva & Vidal Torrado,1999; Silva et al., 2002).

A figura 2 ilustra os espectros de EPR do radical livre do tipo semiquinona dos ácidos húmicos do sub-horizonte A3 de P10 e P3 (Latossolos húmicos), do sub-horizonte AB de P9 e BA de P8 (Latossolos não-húmicos), escolhidos por se situarem em profundidades assemelhadas. Os espectros apresentam diferentes intensidades e larguras de linha, refletindo a concentração de radicais livres calculada, que mostra diferenças no grau de humificação da matéria orgânica. Essas diferenças estão associadas aos processos pedogenéticos predominantes (adição e humificação da matéria orgânica em P10 e P9, remoção de solo em P8 e remoção e deposição de solo em P3), aos distintos teores de C orgânico e aos valores da relação C/N desses perfis de solo.

Nos solos situados no topo (P10) e no ombro (P9) da toposseqüência, os teores de radicais livres do tipo semiquinona elevam-se até o final do horizonte A (cerca de 100 cm de profundidade) e depois diminuem (Quadro 3). No solo da meia encosta (P8), os teores de RLS aumentam com a profundidade, enquanto em P3, situado no segmento da vertente de maior declividade, os conteúdos de RLS apresentam forte oscilação com a profundidade, o que também estaria relacionado, entre outros fatores, com a ação da tectônica ressurgente nessa toposseqüência (Silva & Vidal Torrado, 1999; Silva et al., 2002).

A concentração de RLS nos ácidos húmicos da maioria das amostras é muito mais elevada do que aquelas reportadas por Rivero et al. (1998) em Oxisol da Venezuela, por Martin-Neto et al. (2001) em Latossolo do Sudeste do Brasil e por González Pérez et al. (2004) em Latossolo do Estado de São Paulo, possivelmente devido ao maior período de tempo de exposição a processos de humificação, uma vez que os perfis estudados se encontram em uma área cratônica. Os valores são também maiores que a faixa de 0 a 2 x 10¹⁸ spin g ^-1, publicada por Stevenson (1994) como os usualmente reportados para ácidos húmicos de solos. As altas concentrações de RLS encontradas demonstram o elevado grau de humificação da matéria orgânica dos solos estudados.

Os solos situados nas posições mais estáveis da vertente estudada (topo – P10 e ombro – P9) apresentam os maiores teores médios de RLS em relação aos solos situados nas posições sujeitas a sucessivas remoções e deposições da cobertura pedológica. Como a perturbação antropogênica é cronologicamente recente, considerando as idades radiocarbônicas dos fragmentos de carvão (Quadro 2), a topografia possui papel fundamental no processo contínuo de humificação.

O teor de C dos ácidos húmicos é aproximadamente constante em P10 e P9. Nesses perfis, o teor de N diminui e a relação C/N dos ácidos húmicos aumenta com a profundidade (Quadro 3), evidenciando aumento da humificação. O perfil P8, situado na meia encosta da vertente e que está sujeito à ação de processos de remoção e deposição de materiais de solo, apresenta grandes oscilações nos teores de C, N e na relação C/N dos ácidos húmicos em profundidade. Essas constatações também se relacionam com a influência da declividade no processo de humificação.

A figura 3 mostra elevadas correlações lineares negativas entre as concentrações de RLS máximas, médias e mínimas e a declividade nas posições da vertente onde se situam os Latossolos estudados. Correlacionaram-se as concentrações máximas, médias e mínimas de RLS de cada perfil com a declividade, a fim de minimizar a influência da variação da RLS em profundidade nos resultados.

Na figura 4 são apresentadas as elevadas correlações lineares negativas entre os teores máximos, médios e mínimos de C do solo e a declividade das posições na encosta onde se situam os Latossolos estudados. Também foram correlacionados os teores máximos, médios e mínimos de C de cada perfil com a declividade, para minimizar a influência da variação dos teores de C nos resultados.

Os resultados apresentados nas figuras 3 e 4 demonstram a influência da declividade da vertente no teor de C do solo e na concentração de RLS, que diminuem à medida que a declividade aumenta.

As vertentes ocupadas por solos por muito tempo expostos a processos de erosão (Jenny, 1980; Buol et al., 1980; Daniels & Hammer, 1992), que ocorreram de forma mais acentuada em períodos de transição climática (Ledru, 1993, 1996; Behling, 1995; Pessenda et al., 1996; Parizzi et al., 1998; Barberi et al., 2000; Gouveia, 2001; Silva et al., 2004) durante o Pleistoceno tardio e o Holoceno, no Sudeste Brasileiro, possuem maior teor de C nas posições menos declivosas, que, portanto, foram as mais preservadas da erosão.

O Latossolo húmico (P10) situado no topo da vertente apresenta maiores quantidades de fragmentos de carvão em relação ao Latossolo húmico (P3) da meia encosta/sopé, confirmando o modelo de preservação de componentes do solo nas partes mais estáveis da paisagem, proposto por vários autores, como Jenny (1980), Daniels & Hammer (1992) e Buol et al. (1980). A brusca elevação da idade radiocarbônica (Quadro 2) aliada à elevada oscilação dos valores da concentração de RLS, dos teores de C, de N e da relação C/N dos ácidos húmicos em profundidade (Quadro 3) constituem evidências de que o perfil P3 foi freqüentemente perturbado por processos de deposição e de remoção de materiais do solo.

Os valores das correlações lineares entre as quantidades de carvão, suas idades radiocarbônicas e as declividades não foram estatisticamente significativos, evidenciando independência no comportamento conjunto desses parâmetros.

CONCLUSÕES

1. Os teores de C e as concentrações de radicais livres do tipo semiquinona, extraídos de horizontes de perfis situados em diferentes posições da vertente, apresentam elevada correlação negativa com a declividade.

2. A quantidade e a idade dos fragmentos de carvão nos horizontes dos solos estudados independem da declividade e estão relacionadas com suas gêneses e com sua posição nas vertentes.

AGRADECIMENTOS

À Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de Minas Gerais – FAPEMIG, pelo apoio financeiro para execução de parte deste trabalho. Ao Centro Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento da Instrumentação Agropecuária – CNPDIA/Embrapa, pela realização das análises de EPR.

LITERATURA CITADA

Recebido para publicação em outubro de 2005 e aprovado em maio de 2007.

Parcialmente financiado pela FAPEMIG.

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Trabalho apresentado no V International Meeting of International Humics Substances Society, em 2004.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  13 Dez 2007
• Data do Fascículo
  Out 2007

Histórico

• Aceito
  Maio 2007
• Recebido
  Out 2005