Soil organic matter stock and quality in agroforestry and full sun coffee systems

Abstract

A restauração dos níveis de matéria orgânica do solo (MOS) é considerada um dos mais importantes fatores para o aumento da qualidade do solo. A avaliação das mudanças nos níveis da MOS em função do manejo é fundamental para identificar estratégias para o aumento da produtividade, para evitar a degradação do solo e diminuir a emissão dos gases que proporcionam o aumento do efeito estufa. No Brasil, o manejo do solo com o plantio direto tem sido amplamente difundido como uma alternativa para o aumento do sequestro de C no solo em diferentes ecossistemas. Entretanto, pouca atenção tem sido voltada para outros tipos de uso do solo que promovem a restauração da MOS. O cultivo do café sob sistema agroflorestal (SAF) tem sido considerado uma opção de manejo do solo ideal para solucionar parte dos problemas agrícolas na região da Zona da Mata mineira, uma vez que tais sistemas contribuem para a redução da erosão do solo, melhoram a ciclagem de nutrientes e aumentam os teores de MOS. Em 1995, uma equipe composta por agricultores familiares e pesquisadores, com o apoio do Centro de Tecnologias Alternativas da Zona da Mata (CTA-ZM) em parceria com a Universidade Federal de Viçosa, especialmente com Departamento de Solos, iniciaram um processo de experimentação participativa com o cultivo de café sob SAFs. O potencial dos SAFs para o aumento dos estoques de C, N e P no solo e o efeito desse tipo de manejo sobre a qualidade da MOS não estão completamente elucidados em agroecossistemas específicos na região da Zona da Mata mineira. As hipóteses gerais envolvidas no presente estudo consideram que: (i) devido ao constante aporte de resíduos orgânicos derivados dos componentes arbóreos, os SAFs favorecem o aumento dos estoques de C, N e P do solo e nos diferentes compartimentos da MOS em comparação ao sistema de cultivo à pleno sol (PSOL); e que (ii) a diversidade e qualidade dos resíduos orgânicos nos SAFs afetam as características químicas e estruturais da MOS refletindo as diferentes formas com que esta atua na ciclagem de nutrientes. Os objetivos gerais deste estudo foram: (i) quantificar os estoques de C orgânico, N e P do solo e em diferentes compartimentos da MOS em áreas com cultivo de café sob SAF e PSOL, e (ii) avaliar a influência da diversidade e qualidade dos resíduos orgânicos sobre as características químicas e estruturais das substâncias húmicas em ambos os sistemas. O estudo foi conduzido em três propriedades de agricultores familiares em sistemas de cultivo de café sob SAF e PSOL em áreas situadas nos municípios de Divino e Araponga na região da Zona da Mata de Minas Gerais. Áreas sob fragmentos de mata nativa (MN) foram também amostradas e utilizadas como referência da condição de equilíbrio do solo. Amostras de solo foram coletadas nas profundidades de 0-5, 5-10, 10-20 e 20-40 cm. O capítulo 1 apresenta a introdução geral enfatizando os principais problemas do estudo. No capítulo 2 avaliaram-se os estoques totais de C orgânico, N e P no solo e nas substâncias húmicas. Os estoques de C orgânico nas áreas cultivadas variaram de 1,36 a 3,92 kg m-2 entre os diferentes sítios de estudo. De modo geral, não houveram diferenças significativas nos estoques de C, N e P do solo entre os sistemas SAF e PSOL em todos as áreas avaliadas. Tal efeito parece estar relacionado com outras características físicas do solo. O cultivo do solo reduziu os estoques de C em relação à MN. Nos SAFs tal redução foi menor quando comparado aos sistemas PSOL. A adoção dos SAFs resultou no aumento do índice de manejo de C em todos os sítios avaliados, sugerindo a reabilitação dos níveis de SOM. O potencial dos SAFs para o aumento do estoque de C no solo depende das condições ambientais particulares de cada sítio de estudo. A dinâmica do C, N e P no solo foi diretamente influenciada pela qualidade dos resíduos orgânicos nos SAFs. O estudo da dinâmica do C e N em diferentes classes de agregados é apresentado no capítulo 3. O teor de C na fração 250–2000 μm representou a maior parte do C orgânico total do solo. Em Divino, o conteúdo de matéria orgânica particulada livre no SAF foi 2,8 e 2,0 vezes maior que no sistema PSOL nas camadas de 0-5 e 5-10, respectivamente. Em Araponga(I) tais proporções foram 1,3 e 1,8 vezes maior no SAF comparado ao PSOL. Em Divino e Araponga(I) os SAFs melhoraram a agregação do solo devido ao aumento dos macroagregados estáveis e promoveram o aumento da proteção de C e N nos microagregados formados no interior do macroagregados. Portanto, a estabilidade dos teores de C e N no solo à longo prazo nestes sítios parece estar muito associada com a continuidade do cultivo sob manejo agroflorestal. No capítulo 4 foi realizada a caracterização da distribuição das formas inorgânicas e orgânicas de P (Pi e Po) em diferentes compartimentos em áreas sob SAF e PSOL. Para tal, utilizou-se a técnica de fracionamento sequencial. A distribuição dos compartimentos de Pi e Po variaram entre os diferentes sítios estudados, sugerindo que a ciclo do P depende das características particulares de cada agroecossistema. A dinâmica das frações de P nos SAFs dependeu do compartimento orgânico de P. Em Divino e Araponga(I), os SAFs aumentaram o compartimento de Po mineralizável (NaHCO3-Po + HClconc.-Po), o que favorece os processos biológicos na ciclagem de P no solo. Em Araponga(II), o SAF aumentou o compartimento de Po moderadamente lábil (NaOH-Po), sugerindo que a ciclagem de P ocorre a médio prazo, uma vez que este compartimento é considerado como fonte de P quando formas de maior labilidade são utilizadas prioritariamente. A caracterização química e estrutural dos ácidos húmicos (AH) e ácidos fúlvicos (AF) foi o enfoque do capítulo 5. AH e AF foram extraídos das camadas de 0-5 e 5-10 cm e caracterizados comparativamente utilizando técnicas químicas e espectroscópicas específicas, incluindo: análise elementar (teores de C, H, N and O), análise dos grupamentos funcionais, termogravimetria (TG), espectroscopia na região do infra-vermelho transformada de Fourier (FTIR) e resonância magnética nuclear do 13 C (13C CP-MAS/NMR). Em superfície, SAF em Divino apresentou AH com maior razão atômica H/C e menor O/C em relação ao cultivo PSOL, indicando que o manejo agroflorestal favoreceu a formação de AH com menor grau de oxidação. A tendência dos resultados obtidos com a análise elementar foi comprovada com a termogravimetria. De modo geral, os espectros de FTIR dos AHs e AFs foram semelhantes entre os tipos de manejo SAF e PSOL. Em todos os sítios estudados, os espectros de 13 C NMR de AH foram dominados pelo grupamento O-alquil C seguido de grupos alquil-C. Os dados de 13 C CP-MAS/NMR confirmaram os resultados obtidos com as demais técnicas, indicando que AH extraído de solos sob SAFs em Divino e Araponga(I) apresentaram menor grau de humificação, enquanto que em Araponga(II) esta clara evidência não foi verificada. Em conclusão, as mudanças químicas na estrutura de AHs e AFs em função do uso do solo sob manejo agroflorestal dependem das características particulares do ambiente nas quais este tipo de manejo é implantado. Desta forma, o efeito do manejo agroflorestal sobre as características químico-estruturais das substâncias húmicas em comparação ao manejo a pleno sol não deve ser generalizado. Finalmente, o capítulo 6 apresenta o resumo geral e as considerações finais, apontando alguns aspectos importantes quanto às necessidades de pesquisas futuras considerando o cultivo do solo sob manejo agroflorestal na Zona da Mata.

Soil organic matter (SOM) restoring is considered a main goal in the enhancement of soil quality. The evaluation of changes in the SOM as a result of soil management practices is fundamental to identify strategies to increase agricultural production, avoiding soil degradation and decreasing the emission of greenhouse gases. In Brazil, no-tillage has been broadly spread as a management alternative to enhance soil C sequestration in different ecosystems. However, little attention has been paid to other options of land use in restoring SOM. Agroforestry-coffee systems have been considered a suitable option of soil management to solve part of the agricultural problems in the Atlantic Costal Rain Forest domain, since it can contribute to reduce soil erosion, enhance nutrient cycling and increase SOM levels. In 1995, a group of farmers and researchers, supported by the Centre for Alternative Technologies of the Zona da Mata (CTA- ZM) in partnership with the Universidade Federal de Viçosa, especially with the Department of Soils, started a participatory agroforestry-coffee system experimentation. The potential of agroforestry systems to increase soil C, N and P stocks and the effect of this type of land use on the SOM quality are not completely understood in specific agro-ecosystems in the Zona da Mata. We hypothesized that (i) due to the constant input of organic residues derived from tree-components, agroforestry-coffee favors the increase of C, N and P stocks in the soil and in different SOM pools in comparison to a full sun coffee system; and (ii) that the diversity and quality of the organic residues in the agroforestry systems affect the chemical and structural characteristics of the SOM, reflecting the different forms of its role in the nutrient cycling. Our general objectives were: (i) to measure the stocks of C, N and P in the soil and in different pools of the SOM in areas under agroforestry-coffee and full sun coffee systems, and (ii) to evaluate the effect of the diversity and quality of the organic residues on the chemical and structural characteristics of humic substances in both systems. The work was carried out in three smallholding coffee production areas under agroforestry-coffee (AGF) and full sun coffee (FSC) systems situated at the municipalities of Divino and Araponga in the Atlantic Coastal Forest biome in the state of Minas Gerais, Brazil. In each selected site, areas under natural forest fragments (NF) were sampled and used to represent the native or steady state condition of soil. Soil samples were collected from 0-5, 5-10, 10-20 and 20-40 cm depth intervals. Chapter 1 presents a general introduction of the thesis, emphasizing the main study problems. In chapter 2, we evaluated the total organic C, N and P stocks in the soil and humic substances. Soil organic C stocks in the coffee-cultivated lands varied from 1.36 to 3.92 kg m-2 among all evaluated sites. In general, there were no significant differences in the soil C, N and P stocks between AGF and FSC systems in all evaluated sites. Other soil physical characteristics are likely related to this behavior. In comparison to a reference area, AGF systems presented lower C stock reductions than FSC systems. The adoption of AGF management resulted in the increase in the carbon management index in all sites, suggesting the rehabilitation or enhancement of SOM levels. The potential of agroforestry management to increase soil C storage depended on system-characteristics in each particular environmental condition. The dynamics of C, N and P in the soil has been strongly influenced by the quality of organic residues in the agroforestry systems. The study of C and N dynamics in aggregate- sized fractions is presented in Chapter 3. The C concentration in the 250–2000 μm fraction represented the most part of soil organic carbon. In Divino, free particulate organic matter amounts in AGF system were 2.8 and 2.0 times greater than in FSC in the 0-5 and 5-10 cm layers, respectively. In Araponga(I), these proportions were 1.3- and 1.8-fold greater in AGF, compared to the FSC system. In Divino and Araponga(I), agroforestry systems enhanced soil aggregation by increasing the amount of more stable macroaggregates as well as promoting an increased protection of C and N in the microaggregates within macroaggregates. Therefore, the long-term stability of C and N in these sites probably depends upon the continuation of agroforestry-coffee cultivation. In Chapter 4, we characterized the soil inorganic and organic P in different pools in agroforestry-coffee and full- sun coffee systems by adopting the sequential fractionation technique. The distribution of inorganic and organic P (Pi and Po) pools varied among the different studied sites, suggesting that P cycling depends on the inherent characteristic of each agro-ecosystem. The dynamics of P fractions in agroforestry systems seems depend on the organic P pool. In Divino and Araponga(I), agroforestry increased the proportion of mineralizable Po (NaHCO3-Po + HClconc.-Po), which can favor biological processes of the soil P cycling. In Araponga (II), the agroforestry system increased moderately the labile Po pool (NaOH-Po), suggesting that P cycling occurs in a medium-term scale, since such pool has been considered as a source of P when most labile P fractions are depleted. The chemical and structural characterization of soil humic acids (HA) and fulvic acids (FA) was the focus of the study in Chapter 5. Soil HA and FA extracted from 0-5 and 5-10 cm layers were characterized comparatively by using chemical and spectroscopic techniques including: elemental analysis (C, H, N and O contents), analysis of functional groups, thermogravimetry (TG), Fourier transform infra-red (FTIR) and solid-state 13 C nuclear magnetic resonance (13C CP-MAS/NMR). At soil surface, the HA from AGF presented higher H/C and lower O/C ratio than the FSC system in Divino, suggesting that AGF management favored the genesis of HAs with less oxidative character. The patterns of elemental composition were supported by the findings of the TG analysis. The FTIR spectra of the HAs and FAs were quite similar when comparing the AGF and FSC systems. In all sites 13C NMR assignment of HAs was dominated by the O-alkyl C resonance in both soil layers followed by a resonance line assigned to alkyl C. Solid-state 13C NMR spectroscopy confirmed the data from the previous analysis in which HA from the AGF system in Divino and Araponga(I) are less humified than in the FSC system, whereas in Araponga(II) this clear evidence was not verified. Conclusively, the chemical changes on the structure of HA and FA, as influenced by agroforestry management depend on inherent characteristics of the environment in which it is developed. Thus, the effect of this type of land use on the structural characteristics of humic substances in comparison to a monoculture system should not be broadly generalized. Finally, Chapter 6 describes a summary of the thesis and final remarks, pointing out that some important future research is necessary for the agroforestry in the Zona da Mata.