Perdas de solo, nutrientes, matéria orgânica e efeitos microestruturais em Argissolo Vermelho-Amarelo sob chuva simulada

Soil, nutrient and organic matter losses in a Red-Yellow Podzolic under simulated rainfall

Perdas de solo, nutrientes, matéria orgânica e efeitos microestruturais em Argissolo Vermelho-Amarelo sob chuva simulada(¹)

Carlos Ernesto Reynaud Schaefer(²), Demétrius David Silva(³), Karlos Welby Neri Paiva(³), Fernando Falco Pruski(⁴), Manoel Ricardo Albuquerque Filho(⁵) e Miriam Abreu Albuquerque(⁶)

Resumo - Estudo experimental com simulador de chuva foi conduzido em área de Argissolo Vermelho-Amarelo caulinítico, em Viçosa, MG, com intensidade de precipitação de 60 mm h^-1 e seis aplicações sucessivas, espaçadas de 12 horas. Caracterizou-se a evolução do selamento superficial e das perdas de nutrientes, solo e matéria orgânica em razão de diferentes porcentagens de cobertura (0, 20, 40, 80 e 100%) em cultivo morro abaixo (declividade média de 9,5%), em resposta à energia cinética decorrente da precipitação. As perdas totais de solo foram superiores a 11 t ha^-1 nos tratamentos com porcentagem de cobertura entre 0 e 40%, reduzindo-se a pouco mais de 5 t ha^-1 com 80% até zero no tratamento 100% coberto com Bidim. As perdas de nutrientes seguiram a ordem Ca>Mg>K>P e foram correlacionadas às perdas de matéria orgânica. O fracionamento de substâncias húmicas revelou a concentração residual de humina e perdas seletivas de formas mais solúveis (ácidos fúlvicos) com a enxurrada. A erosão causou heterogeneidade entre a parte superior e inferior das parcelas experimentais. A macroporosidade entre 10 e 20 cm é maior na parte superior da parcela, sugerindo a migração de argila dispersa e entupimento de macroporos nas condições de chuva simulada. Excetuando-se o tratamento com 100% de cobertura, todos os demais evidenciam crosta deposicional. Nos tratamentos com maior exposição houve presença de crosta erosional, ao fim do teste de campo.

Termos para indexação: porosidade do solo, permeabilidade, degradação do solo, erosão.

Soil, nutrient and organic matter losses in a Red-Yellow Podzolic under simulated rainfall

Abstract - The present work was carried out in a kaolinitic Red-Yellow Podzolic at Viçosa, State of Minas Gerais, Brazil, aiming to evaluate the effect of soil cover under simulated rainfall at an intensity of 60 mm h^-1 on soil, nutrient and organic matter losses, and microstructural effects. The experimental area was set up in a downslope cultivation (average slope of 9.5%), with five experimental units (2.0 x 2.0 m) with a Bidim soil cover of 0, 20, 40, 80 and 100%. Six successive rainfall applications were made at 12 hours regular intervals, collecting the resulting soil materials after each test. The soil losses were higher than 11 t ha^-1 in treatments with cover ranging from 0 to 40%, and about 5 t ha^-1 with 80% cover, and no losses were observed in the 100% Bidim cover. The nutrient losses followed the order Ca>Mg>K>P and were correlated to organic matter. The organic matter fractionation revealed a residual concentration of humin and selective loss of soluble forms with runoff. A heterogeneity between the upper and lower parts of the experimental unit, attributable to erosion, was observed. The macroporosity estimated by micromorphology at the 10-20 cm depth was consistently higher in the upper part of the unit, suggesting clay migration and porosity loss under simulated rainfall. Except for the 100% cover, all others showed the development of depositional crust, whereas the most exposing treatments also showed the presence of erosional crust, at the end of the tests.

Index terms: soil porosity, permeability, soil degradation, erosion.

Introdução

A degradação do solo nos trópicos, embora reconhecido como um problema grave e generalizado, ainda carece de estudos que avaliem aspectos físicos, químicos e ambientais, de forma integrada (Oldeman et al., 1990), especialmente em condições irrigadas (Oldeman, 1994; Lal, 1998). A erosão é um dos principais fatores responsáveis pelo decréscimo na produtividade agrícola, provocando perdas de solo, água e nutrientes. As perdas hídricas e químicas pela enxurrada agrícola podem, ainda, acarretar eutrofização da água (Lal, 1998; Hernani et al., 1999).

O solo cultivado, exposto às chuvas, recebe a maior parte da energia cinética da precipitação, quebrando os agregados e iniciando o processo de erosão. Com a destruição dos agregados, as partículas menores em suspensão penetram e obstruem os poros, diminuindo a permeabilidade e formando o selamento superficial, influenciando a infiltração de água no solo. O fenômeno do selamento superficial é decorrente da formação de uma camada superficial de maior densidade, pela destruição dos agregados do solo causada pelo impacto das gotas de chuva, dispersão e entupimento dos poros. Tackett & Pearson (1964) preferem usar o termo crosta superficial, cuja formação é por meio da chuva, e ocorre principalmente em solos intensamente cultivados. Solos com eficiente cobertura vegetal podem reduzir o escoamento laminar, reduzindo as perdas de solo e água (McGregor et al., 1990). O conhecimento preciso da resposta erosiva dos solos sob condições de chuva simulada é importante na predição de perdas e extrapolação para solos e condições semelhantes.

Vários pesquisadores estudaram o selamento superficial quanto à sua formação, caracterização, constituição e suas implicações no manejo do solo e da água. McIntyre (1958), em estudos pioneiros com amostras desestruturadas submetidas à chuva simulada, detectou significantes decréscimos na velocidade de infiltração básica de água decorrente da formação de uma crosta na superfície do solo. Tackett & Pearson (1964) caracterizaram crostas e amostras para a resistência à penetração e permeabilidade à água, indicando diferenças microestruturais na natureza das crostas e das superfícies compactadas das amostras. Crostas superficiais formadas pela chuva simulada são extremamente densas e de espessura de 1 a 3 mm, formadas por argila orientada. Estudos relacionando o fenômeno de selamento, dinâmica da água e aspectos micropedológicos não são comuns (Tanaka et al., 1992; Bresson & Valentin, 1994), particularmente nos trópicos (Faria et al., 1998).

Diversos autores reportam que as práticas de manejo mais conservacionistas reduzem as perdas de solos, água e nutrientes, tanto sob chuva simulada (Vieira et al., 1978; Amado et al., 1989; Braida, 1994) quanto natural (Sidiras et al., 1984; Wildner, 1985; Roth et al., 1986; Lombardi Neto et al., 1988; Alves et al., 1995; Faria et al., 1998; Hernani et al., 1997, 1999). Os efeitos da formação ou selamentos superficiais nos processos erosivos têm sido documentados por vários autores (McIntyre, 1958; Bradford et al., 1987; Bertol et al., 1989; Bertoni & Lombardi Neto, 1990; Bresson & Valentin, 1994). Contudo, nota-se uma carência de estudos sob condições de chuva simulada em condições tropicais.

Este trabalho objetivou determinar as perdas de solos, nutrientes, matéria orgânica, em seus aspectos qualitativos e quantitativos, como também avaliar os efeitos microestruturais da formação do selamento, sob chuva simulada e em condições de cultivo morro abaixo, com 9,5% de declividade média.

Material e Métodos

O experimento foi conduzido em condições de morro abaixo, em Argissolo Vermelho-Amarelo, na estação experimental do Departamento de Fitotecnia da Universidade Federal de Viçosa, MG, no período de janeiro de 1998. A área escolhida representa uma pedopaisagem comumente cultivada em regime de agricultura familiar na Zona da Mata, especialmente com milho e feijão, com a ocorrência generalizada de selamento superficial. Os ensaios foram realizados com a utilização de um simulador de chuvas de braços rotativos, equipado com bocais tipo Vee-jet 80100, conforme o modelo da Universidade de Nebraska, USA. A intensidade de precipitação aplicada foi de 60 mm h^-1, com seis aplicações sucessivas, espaçadas no tempo de 12 horas, a fim de caracterizar a evolução do selamento superficial, perdas de solo, nutrientes e matéria orgânica, em razão de diferentes porcentagens de cobertura em resposta à energia cinética decorrente da precipitação. A energia cinética da precipitação aplicada pelo simulador de chuvas de braços rotativos foi determinada pela equação de Wischmeier & Smith (Tossel et al., 1990).

E_w = 17,124 + 5,229 log I (1)

em que:

E_w = energia cinética da precipitação (J m^-2 mm^-1);

I = intensidade de precipitação (mm h^-1).

No experimento reportado, o valor de intensidade máxima média (i_m) empregado foi de 60 mm h^-1, associado a uma duração de precipitação de 68 minutos. Essa combinação foi obtida pela relação entre intensidade-duração-freqüência da precipitação, determinada por Pinto (1995) para a cidade de Viçosa, MG. O teste foi realizado em uma área delimitada de um quadrado de oito metros de lado, inscrito na circunferência formada pelos tubos radiais do simulador. Esta área foi isolada a montante por diques para impedir a entrada de água de enxurrada proveniente das áreas vizinhas (Figura 1).

Considerando-se que a condição crítica para a ocorrência de escoamento superficial e perdas de solo é aquela em que o solo se encontra saturado (antes da incidência da chuva de projeto), aplicou-se, antes do início do teste, uma lâmina d'água de 100 mm no solo, por meio de simulador de chuvas. Para evitar a formação de selamento superficial decorrente dessa precipitação, toda a superfície do solo das parcelas experimentais foi coberta por uma manta sintética de alta permeabilidade (Bidim OP 30), com o objetivo de absorver a energia cinética das gotas d'água. As parcelas experimentais, delimitadas por chapas metálicas, possuíam uma área de 2,0 x 2,0 m e as fileiras de plantio, substituídas pelo Bidim, foram espaçadas de 0,5 m. A condição de manejo analisada foi de preparo convencional do solo e cultivo morro abaixo, de seis parcelas experimentais com declividade média de 9,5%, correspondentes a 0, 20, 40, 80 e 100% de cobertura do solo (Figura 1). Para o total de seis aplicações, foram realizadas seis coletas subseqüentes de solo e água. Na apresentação dos resultados, foram calculadas as médias das três primeiras coletas e das três últimas.

O solo em que foi realizado o experimento é classificado como Argissolo Vermelho-Amarelo, do qual coletaram-se amostras nas profundidades de 0 a 20, 20 a 30 e 30 a 40 cm, as quais foram analisadas quanto às suas características físicas e químicas (Tabelas 1 e 2).

Foram também coletadas amostras indeformadas de solo nas profundidades de 0 a 10, 10 a 20 e 20 a 30 cm, as quais foram submetidas a tensões de 9,8, 29,4, 98,0, 294,0, 980,0 e 1.470,0 kPa para a obtenção da curva de retenção de água no solo. Os conteúdos de umidade retidos nas amostras de solo submetidas às referidas tensões são representados na Figura 2.

As perdas de solo foram determinadas pelo método direto (Bertoni & Lombardi Neto, 1990), por meio da coleta do solo transportado por arrastamento superficial nas caixas de cada parcela experimental. Em cada caixa de coleta foi instalada uma armação de madeira com tela perfurada, sobre a qual colocou-se uma manta de Bidim para possibilitar a coleta das partículas de solo transportadas após cada uma das aplicações. O solo coletado foi levado a estufa (105^oC por 24 horas) e posteriormente determinado o seu peso seco. Este método é o mais recomendado e acessível para estudar o efeito global das características do solo, da cobertura vegetal, das práticas culturais e, especialmente, das práticas conservacionistas.

Foram utilizadas amostras para análise do teor de carbono orgânico, além das análises químicas, físicas e mineralógicas de rotina, conforme metodologias recomendadas por Klute (1986) e pela Embrapa (1997). O fracionamento das substâncias húmicas foi realizado pelo método de solubilidade diferencial (Hayes et al., 1989), quantificadas pelo método de determinação do carbono de Yeomans & Bremner (1988). O fracionamento foi feito tanto na parcela (solo residual), quanto no material coletado (sedimento), considerando as médias das três coletas iniciais e três coletas finais. Os dados foram reportados como porcentuais relativos de cada fração húmica em relação ao carbono total.

O preparo e a descrição de blocos polidos de solos, para fins de determinação do selamento superficial do solo, constou da coleta em tubos de PVC, com 20 cm de altura e diâmetro de 200 mm, com posterior secagem ao ar, por sete dias. Posteriormente, saturou-se com acetona e impregnou-se com resina de poliéster (Polylite), diluída com estireno, e adicionada de pigmento UV fluorescente (UVITEX OB, Ciba-Geigy). Após a impregnação e polimerização, efetuou-se o corte de uma fatia delgada de solo, com 2 a 4 mm de espessura, polimento de uma das faces e obtenção dos blocos polidos em duas repetições. Estes foram fotografados em câmara escura, o que permitiu revelar a porosidade e a porcentagem correspondente à matriz de solo. Os dados foram processados em scanner, com posterior manipulação e quantificação usando-se software de processamento de imagens Adobe-photoshop, para padronização da porosidade calculada por meio de filtros. Foram feitas ainda seções finas de solos nos selamentos observados no solo descoberto (0% cobertura) e no solo sob Bidim em 100% de cobertura, para ilustrar as feições micromorfológicas.

Resultados e Discussão

As perdas absolutas dos nutrientes foram na ordem: Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺ >P (g ha^-1), tanto na soma das três coletas iniciais quanto nas três coletas finais (Tabela 3). Esta ordem seqüencial é semelhante à reportada por Hernani et al. (1987), estudando a influência de métodos de limpeza de Latossolo Amarelo em São Paulo, em condições de chuva natural, com ressalva para a inversão entre K e Mg, que tenderam a valores muito próximos no presente estudo. A ordem decrescente foi próxima ao conteúdo trocável dos nutrientes no solo original, conforme esperado (Tabela 1).

As perdas de matéria orgânica do solo (MOS) foram variáveis e possivelmente influenciadas pelo conteúdo variável de matéria orgânica do solo na parcela antes do ensaio de simulação de chuva, conforme mencionado anteriormente. De maneira geral, as perdas tenderam à redução do tratamento com 0% ao tratamento com 80% de cobertura, com médias respectivas de 64,2 e 17,5 kg ha^-1. As perdas de matéria orgânica do solo apresentaram coeficientes de correlação positivos e com alta significância com o conteúdo de P, K, Ca e Mg nos sedimentos, indicando que a fração orgânica mobilizada pela erosão foi a principal responsável pela perda de nutrientes em condições de chuva simulada. Coeficientes de correlação negativos e com baixa significância entre os valores de Ca, Mg, K e P e conteúdo de argila do sedimento (Tabelas 4 e 5) corroboram a baixa contribuição dos colóides minerais, de CTC muito baixa (caulinita e oxiidróxidos) e quimicamente pobres à adsorção de elementos trocáveis neste solo e, conseqüentemente, à aparente não associação entre a argila total perdida e as perdas de nutrientes pela erosão.

As perdas absolutas de solos foram elevadas nos três primeiros tratamentos (0, 20 e 40% cobertura), com valores entre 11 e 13,2 t ha^-1. Houve forte redução com 80% de cobertura (5,2 t ha^-1) e não houve perdas com 100% de cobertura (Tabela 4). De maneira geral, as perdas de solos mostraram poucas variações na granulometria entre os tratamentos, com exceção do tratamento de solo totalmente exposto (0%), que mostrou valores menores de argila e maiores de areias, em virtude da maior energia erosiva do escoamento (Tabela 4).

Segundo McGregor et al. (1990), perdas de matéria orgânica do solo e nutrientes associados são de grande relevância na eutrofização da água de drenagem. Os resultados de perdas de P associado à presença de corpos de água à jusante da área experimental sugerem um risco potencial de P na eutrofização. As perdas de MOS podem ainda resultar em perda de estabilidade de agregados (Oades, 1984), acelerando a erosão. Valores de correlação positiva mais baixa (0,592) entre os teores de areia e o conteúdo de P perdido por erosão sugerem uma certa associação de P inorgânico com frações grosseiras (matéria orgânica residual ou nódulos de Fe em tamanho de areia). Perdas associadas de P e matéria orgânica do solo em sedimentos foram reportadas por Hernani et al. (1999).

Com respeito à qualidade da matéria orgânica, os dados do fracionamento do material coletado evidenciaram uma concentração maior de fração humina, seguida das frações ácido húmico e ácido fúlvico (Tabela 6). Esse fato evidencia uma perda seletiva da fração mais solúvel (fúlvica), pelo escoamento superficial, e uma permanência relativa das frações mais humificadas ao longo da encosta. Essa perda seletiva pode ser melhor verificada quando se compara a parcela residual com 100% de cobertura (com 19% de ácido fúlvico (AF) e 41% de humina (HUM)) e o solo descoberto (3% AF e 88% HUM); assim, a mobilização da fração mais solúvel da matéria orgânica e a retenção no Bidim das frações mais humificadas denota uma acentuada perda de carbono solúvel nos solos sob erosão acelerada, que pode ocasionar acentuada perda de CTC nesses solos, altamente dependentes da matéria orgânica (Schaefer et al., 1999), além de favorecer a eutrofização dos rios e lagos a jusante.

Quanto ao encrostamento e porosidade, as observações micropedológicas dos blocos polidos e nas medidas de macroporosidade mostraram uma aparente desuniformidade subsuperficial no local de instalação do experimento, o que afetou os resultados da macroporosidade observadas e, provavelmente, os resultados de perda de solo avaliados, bem como na sua composição (Figura 3). Além disso, há evidências de que a área experimental se apresentava mais adensada na subsuperfície, a partir da parte intermediária da parcela 40% para a parte inferior, onde foi localizada a parcela com 100% de cobertura. Essas porções do experimento apresentaram valores de macroporosidade muito reduzidos em subsuperfície (3,5% a 4,5%) em relação às demais parcelas (Tabela 7). Essa heterogeneidade é facilmente explicada pela posição da área experimental na paisagem, por representar o segmento de transição entre a elevação convexa, dominantemente latossólica, e a porção côncava do plano inclinado, que representa a grota, onde ocorrem argissolos. Na verdade, essas porções mais rejuvenescidas apresentam grande variabilidade pedológica, em virtude da natureza deposicional, em leques aluviais de encosta.

Considerando os resultados de macroporosi- dade como um todo, a porosidade subsuperficial (10-20 cm) foi sempre maior na parte superior da parcela, independentemente da sua locação, com valores variando de 11,7% a 20,9%, e excetuando-se a parcela de 100% de cobertura, a qual não apresentou variação em subsuperfície. Assim, parece haver uma relação entre a argila dispersa oriunda da desagregação pelo impacto da gota e translocada per descendum e o entupimento de poros maiores no segmento inferior da parcela. Esse fenômeno foi agravado pelo cercamento das parcelas e a conseqüente permanência prolongada da água dentro dos limites das mesmas, impondo um retardamento do fluxo saturado com argila dispersa, que seria rapidamente carreado para os cursos d'água ou porções inferiores do terraço, em sistemas abertos.

O desenvolvimento de crostas ou selamento foi evidenciado em todos os solos expostos, pela destruição de agregados, afetando a rugosidade do solo (Figuras 3 e 4). Entre as observações qualitativas dos blocos polidos (Tabela 7), salienta-se a presença generalizada de crosta deposicional em todos os tratamentos, exceto com 100% de cobertura; além disso, a presença de crosta erosional com pináculos, detectada nos tratamentos de 0 e 20% de cobertura, indicando que os efeitos da enxurrada no segmento superior da parcela foram bem mais evidentes que nos demais tratamentos. As crostas ou selamentos foram desenvolvidos com a destruição de agregados, o que afetou a infiltração do solo (Magunda et al., 1997; Pruski et al., 1997).

A inesperada descontinuidade observada entre a parte superior da crosta delgada no tratamento com 100% de cobertura (Figura 4) pode ser atribuída ao peso do Bidim encharcado após os eventos de chuva simulada, propiciando pressão mecânica uniforme e reempacotamento dos agregados do solo, em regime de umidade que favoreceu a adesão mais forte de partículas de argila, de natureza caulinítica, e menor variação de umedecimento e secagem neste solo. Esse fenômeno é reportado em condições experimentais por Tessier et al. (1990). No caso de chuva simulada, é possível que a coalescência dos agregados em blocos, de maior tamanho, tenha se efetuado com a participação de argila dispersa, translocada poucos centímetros abaixo da superfície. A Figura 4 ilustra a fotomicrografia do horizonte superficial do solo totalmente exposto, com desenvolvimento de crosta erosional e poros planares, paralelos à superfície, típicos do selamento em solos cauliníticos (Faria et al., 1998).

Conclusões

1. As perdas absolutas de nutrientes seguem a ordem Ca>Mg>K>P em todas as coletas, acompanhando a ordem relativa dos teores trocáveis do solo, sendo positivas e significativamente correlacionadas às perdas de matéria orgânica, sem correlacionar com perdas de argila.

2. Perdas totais de solo superiores a 11 t ha^-1 nos tratamentos com porcentagem de cobertura variando entre 0 e 40% decrescem a pouco mais de 5 t ha ^-1 com 80% até zero no tratamento 100% coberto com Bidim.

3. As perdas de matéria orgânica na enxurrada são preferencialmente em formas mais solúveis e reativas (ácidos fúlvicos).

4. A macroporosidade subsuperficial (10 a 20 cm) sugere migração de argila dispersa e entupimento de macroporos sob chuva simulada; nos tratamentos com alguma exposição há desenvolvimento de crosta deposicional; os tratamentos mais expostos apresentam ainda crosta erosional.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  04 Jul 2002
• Data do Fascículo
  Maio 2002

Histórico

• Aceito
  20 Set 2001