Determinação do escoamento

A análise do escoamento superficial foi realizada utilizando parcelas de estudo com 2m de largura e 5m de comprimento, sendo a área de cada parcela

tinha 5m2_{. Os locais de medição foram fechados por chapas de metal de 10 cm}

de altura e 5 cm enterrado no solo. As parcelas foram distribuídas após a inclinação sendo a extremidade inferior, a última um metro construído em forma de "V" sendo que o fluxo foi canalizado para um balde. A precipitação média acumulada foi medida com a utilização de uma estação de tempo portátil Vantage vue Davis, instalado perto da área de estudo. O volume de água foi calculado de acordo com a área do lote experimental, com a percentagem de retido (ou infiltrados) de água calculado como a diferença entre o volume do lote e o volume de escoamento recolhidas.

61

2.5 Resultados

Os resultados obtidos nos diferentes períodos de estudo (de março a junho de 2013 e 2014) não apresentaram diferenças significativas, assim, os

dados foram usados em conjunto. Não houve diferença significativa (p 0,05),

por meio do teste de Tukey, entre os diferentes pontos de amostragem em relação nitritos (NO2-), potássio (K+), alcalinidade, dureza, dióxido de carbono livre (CO2), carbonatos (CO3-2), cloreto (Cl-), flúor (F-), sulfatos (SO4-2), cálcio (Ca+2_{), magnésio (Mg}+2_{), sódio (Na}+_{) e de sílica dissolvido (SiO}

2). Além disso, estes elementos se encontram dentro dos valores típicos para a região (Zimmermann et al., 2008).

62 Tabela 2.1 Valores médios e desvio padrão para os parâmetros químicos obtidos em três diferentes estruturas de vegetação ripária e larguras (12, 36 e 60m), n = 9. As médias foram calculadas usando dados coletados em triplicata por 4 períodos de amostragem.

Vegetação lenhosa Vegetação arbórea Gramíneas

Parâmetros 12 (m) 36 (m) 60 (m) 12 (m) 36 (m) 60 (m) 12 (m) 36 (m) 60 (m) N (mg.L-1_{) 23.6(±2.0)}d _2.55(±0.2)e _0.03(±0.06)a _25.0(±1.3)d _11.4(±0.8)e _6.9(±0.7)a _32.0(±1.4)d _30.3(±1.8)e _16.1(±2.5)a P (µg.L-1_{) 13.9(±0.5)}f _1.7(±0.4)g _0.03(±0.02)b _18.8(±0.8)f _13.8(±0.7)g _4.0(±0.6)b _23.4(±0.9)f _23.5(±0.7)g _15.1(±0.8)b NO3- (mg.L-1) 13.8(±0.5)h 2.3(±0.6)i 0.008(±0.01)c 23±(1.5)h 15.3(±0.7)i 7.9(±1.1)c 31.9(±1.7)h 25.1(±1.4)i 19.2(±0.8)c NO2- (mg.L-1) 0.2(±0.1) 0.2(±0.1) 0.1(±0.1) 0.05(±0.05) 0.09(±0.05) 0.02(±0.01) 0.2(±0.1) 0.1(±0.1) 0.09(±0.04) K+ _(mg.L-1_{) 0.4(±0.3) 0.6(±0.3) 0.4(±0.3) 0.6(±0.4) 0.6(±0.4) 0.5(±0.4) 0.5(±0.3) 0.7(±0.3) 0.4(±0.3)} Mg2+ _(mg.L-1_{) 2.4(±0.2) 2.5(±0.2) 2.5(±0.3) 2.3(±0.2) 2.7(±0.2) 2.5(±0.2) 2.1(±0.1) 2.4(±0.1) 2.3(±0.2)} Ca+2 _(mg.L-1₎ 4.0(±0.7) 4.1(±0.6) 4.2(±0.3) 3.9(±0.8) 4.1(±0.8) 4.1(±0.5) 3.6(±0.6) 4.0(±0.8) 3.9(±0.4) pH 5.0(±0.2) 4.9(±0.2) 5.1(±0.2) 4.8(±0.5) 4.9(±0.2) 5.2(±0.3) 4.5(±0.5) 4.7(±0.1) 4.9(±0.3)

a - i - resultados obtidos para as áreas contendo gramíneas e vegetação arbustiva apresentaram diferença significativa pelo teste de Tukey (p  0,05), em comparação com área composta por vegetação lenhosa e mesma largura.

63 A Tabela 1.1 mostra as concentrações de nutrientes a partir das amostras coletadas em 12m, 36m e 60m após a zona rural, em regiões compostas por vegetação lenhosa, arbustos e gramíneas, separadamente. Na zona tampão

composto de vegetação lenhosa, a remoção de N, P e NO3- foram

significativamente maiores do que em áreas com ervas e arbustos. Para os outros nutrientes, não foram observadas diferenças significativas entre as zonas de amortecimento (Tabela 1.1). Usando a análise de Tukey foi possível comparar as médias de largura local dos 12m, 36m ou 60m, composto por gramíneas (arbustivas ou arbóreas). Todas as áreas compostas de gramíneas, arbustiva ou

lenhosa mostrou diferenças significativas (p 0,05) para as concentrações de N,

P e NO3- comparando as mesmas larguras de zona tampão. Para NO2-, K+, Mg2+,

Ca+2_{, e pH houve diferenças significativas observadas em diferentes}

composições de vegetação com a mesma largura.

Em relação ao nitrogênio (N), fósforo (P) e nitratos (NO3-), foram encontradas diferenças significativas (p  0,05), entre as diferentes distâncias estudadas (Figura 2.3).

64 Figura 2.3. Remoção de N, P e NO3- em cada área de estudo, em que N (nitrogênio), P (fósforo) e Nit (nitrato), S (arbusto), G (gramas) e L (vegetação lenhosa). A eficiência foi calculada nas seguintes larguras da zona tampão (A) 0 - 12 m (B) 0 - 36m e (C) 0 - 60m.

A Figura 2.3 mostra a distribuição dos valores de eficiência de remoção de N, P, e NO3- agrupados em tipos de vegetação a partir de uma gama de larguras (12, 36, e 60 m). Os valores de eficiência foram obtidos através da relação entre os dados analisados para pontos de concentração, com a concentração no ponto zero. Para uma faixa de vegetação de 60m (Figura 3), a

vegetação lenhosa obteve uma capacidade de retenção de 100% de N, P e NO3-

. A vegetação arbusto obteve 83% para a remoção de N, 66% de P e 80% para

NO3-. Nos tampões grama, houve retenção de 61% de N, 53% de P e 52% para

NO3-. Para a faixa de vegetação de 36m (Figura 2.3), vegetação lenhosa foi

65 de N quando a vegetação arbusto estava presente na zona tampão foi de 56%

para o P, e 46% a 61% para NO3-. No entanto, quando a zona tampão consistia

de grama, havia um poder de remoção de 41% de N, 34% de P e 37% para NO3-

. Na faixa de 12m (Figura 2.3) a remoção eficaz de vegetação lenhosa foi

calculada em 43% de N, 36% de P e 65% para NO3-. Para a vegetação arbusto,

a eficiência de remoção foi de 41% para o N, 32% de P e 42% para NO3-. Na

área de grama, eficiência de remoção foi de 21% N, 17% P e 20% NO3-.

Faixas de vegetação com largura de 60m obteve a melhor eficiência de remoção para todos os tipos de vegetação estudados, especialmente para o nitrogênio. Através do teste de Tukey foi verificado uma redução significativa dos nutrientes. Para a vegetação lenhosa, a remoção alcançada foi de 100% para as áreas com uma zona tampão de 60m. Comparando-se a remoção obtida para zonas-tampão de composição diferente e larguras diferentes, o N, P e NO3- mostraram diferenças significativas para a remoção obtidos em zonas de amortecimento de 60m, composto por gramíneas, arbustiva e vegetação lenhosa. O menor efeito de filtragem foi observado na zona tampão composto de

gramíneas, tanto para N, P e NO3-, onde a remoção após 60m eram apenas 62%

e 52%, respectivamente.

A relação entre a concentração de nitrato e distância para o cultivo em áreas com uma zona tampão de 60m pode ser observado na Figura 2.4.

66 Figura 2.4. Relação entre a concentração de nitrato de (mg.L-1_{) e a distância dos} pontos de amostragem nas zonas de amortecimento, usando larguras de entre 0 e 60m. A concentração de nitratos foi medida em áreas com zona tampão composta por ♦ gramíneas, • arbusto ou ■ vegetação lenhosa.

A zona tampão composto por gramíneas mostrou uma remoção máxima

de 52% de nitrato, mantendo uma concentração mínima de 19 mg.L-1_{. Para as}

zonas tampão com gramíneas (Figura 2.4), o coeficiente de correlação (R2_{) foi}

de 0,99 para a análise de regressão de decaimento exponencial. A análise de variância (ANOVA) mostrou resultado significativo (p < 0,05) para os pontos inicial e final dos locais de coleta. Os valores obtidos para as amostras coletadas no ponto de 12m a 60m, não apresentaram diferença significativa (p < 0,05). Na zona tampão composto por arbustiva (Figura 2.4), a máxima remoção de nitrato

observada foi de 80%, com uma concentração mínima de nitrato a 10 mg.L-1_{. O}

67 (p < 0,05) na concentração de nitrato entre os pontos inicial e final da coleção. Quando a zona tampão foi constituído por vegetação lenhosa (Figura 4), a remoção de nitrato atingiu 100% em 60m de largura, e o coeficiente de

correlação (R2_{) da equação exponencial foi de 0,99. A partir dos resultados, foi}

possível determinar a remoção de nitrato em zona tampão composta por gramíneas, arbustiva e vegetação lenhosa (Figura 2.4) ajustado por uma equação de decaimento exponencial. Assim, a remoção de nitrato aumenta com a largura da zona de amortecimento e a complexidade da estrutura da vegetação.

Figura 2.5. Relação entre a concentração de nitrogênio (mg.L-1_{) e da distância}

dos pontos de amostragem nas zonas tampão, utilizando larguras entre 0 e 60m, onde o ponto zero está localizado na é área agrícola e o ponto com 60m é o ponto as margens do rio. Concentração de nitrogênio foi medida em zonas tampão composta por ♦ gramíneas, • arbusto ou ■ vegetação lenhosa.

68 Análises semelhantes foram realizados em relação a concentração de nitrogênio (Figura 2.5). Para zonas tampão consistindo de gramíneas, a concentração mínima de nitrogênio observado foi de 15 mg.L-1_{. Para as zonas tampão que}

consiste em vegetação arbustiva a mínima foi de 4 mg.L-1 _{e para a vegetação}

lenhosa, a remoção foi de 100%.

A análise de variância (ANOVA) mostrou diferenças significativas (p

0,05) na concentração de nitrogênio entre os pontos de início e término (12m e

60m) de coleta para as áreas com vegetação composta por arbusto e lenhosa.

Para gramíneas, não foram observadas diferenças significativas (p 0,05) entre

12m e 60m. Para gramíneas e arbustiva, o R2 _{foi de 0,98, para a vegetação}

lenhosa o R2 _{foi de 0,99. A remoção de nitrogênio em zona tampão composta}

por gramíneas, arbustiva e lenhosa é mostrado na Figura 2.5.

Para a análise de fósforo (Figura 2.6), quando a área de estudo foi composta por gramíneas, a concentração mínima observada foi de 12 μg.L-1_. Quando a zona tampão consistia de vegetação arbusto, um teor de fósforo

inferior de 4 μg.L-1 _{foi observada. Para a zona tampão arborizado, há}

concentração de fósforo foi observado após 60m. A análise de variância

(ANOVA) mostrou diferenças significativas (p 0,05) na concentração de fósforo

entre os pontos de início e término da coleta de gramíneas, arbustiva e vegetação lenhosa.

69

Figura 2.6. Relação entre a concentração de fósforo (µg.L-1_{) e da distância dos}

pontos de amostragem nas zonas tampão, utilizando larguras entre 0 e 60m, onde o ponto zero é localizado na zona agrícola e o 60m próximo ao leito do rio. Concentração de fósforo foi medida em zonas com zona tampão composta por ♦ gramíneas, • arbusto e ■ lenhosa.

Em todos os casos, a relação entre a redução da concentração de fósforo na zona tampão composto por gramíneas, arbustivo e lenhosa é proporcional a um aumento da largura da zona tampão. A remoção de nitrogênio, fósforo e de nitratos aumenta na seguinte ordem: gramíneas> vegetação arbustiva> vegetação lenhosa. A zona tampão constituída de vegetação lenhosa foi mais eficiente na remoção de nitrato, fósforo e nitrogênio residual presente nas águas subterrâneas provenientes de áreas agrícolas, ao contrário de zonas ribeirinhas não lenhosos. Neste trabalho, a remoção de nitrato foi de 98% para a vegetação

70 lenhosa de 60m. Uma diferença significativa (p <0,05) entre os pontos de grama, arbustos e vegetação lenhosa para o NO3- foi observado. Na zona tampão de 36m composto de vegetação lenhosa, a remoção foi de 98% maior do que a observada para arbusto (72%) e grama (42%). Zonas tampão que consiste em grama ou arbusto apresentou um desempenho de retenção menor do que a zona tampão composto por vegetação lenhosa sendo que essa vegetação apresentou o menor escoamento superficial. Os valores de escoamento superficial nas áreas com vegetação lenhosa ficou em 2,7 a 5,4%, já o escoamento subsuperficial foi de 94,5% (± 0,9) de infiltração. A região composta por arbustos apresentou um escoamento superficial de 9,3% (± 2,3) e uma porcentagem de infiltração subsuperficial de 90,7% (± 2,1). A região composta por gramíneas tiveram o maior escoamento superficial, atingindo 14,2% (± 3,4) e a menor porcentagem de infiltração com 85,8% (± 2,6).

2.6 Discussão

A zona de vegetação lenhosa tem uma maior capacidade de retenção de nutrientes (99,9%). Os solos com essa vegetação têm um maior teor de matéria orgânica quando comparadas às áreas de grama e arbustos, devido às folhas das árvores que são depositados e degradados no solo (Young et al., 1980; Groffman et al., 2002). A matéria orgânica tem boas características de adsorção de nutrientes devido a um sistema complexo de substâncias carbonicas e processos de estabilização do húmus (Cahn et al., 1992), além disso o ecossistema do solo da vegetação lenhosa contém uma rica população microbiana (Groffman et al., 2002). As áreas de vegetação lenhosa possuem um

71 sistema radicular profundo que atinge a zona saturada do solo, contribuindo para a remove de diversos compostos entre eles o nitrogênio (Groffman et al., 2002; Mayer et al., 2007). As áreas ripárias compostas por vegetação lenhosa também mostram uma redução na concentração de P e nitrogênio. Esta redução pode ser explicada pela elevada retenção de sedimentos e alta concentração de matéria orgânica em que o P e o nitrogênio podem ser adsorvidos (Sharpley et al., 1994; Mankin et al., 2007; Mcdowell et al., 2007; Gaguejam et al., 2009). Os resultados obtidos para o escoamento corroboram com os resultados obtidos para a remoção de nutrientes. Em regiões com vegetação ciliar composta de árvores, a taxa de infiltração é maior e erosão é menor. Uma vez que o solo é protegido por árvores e biomaterial relacionada, o impacto das gotas de chuva no solo é reduzida e as taxas de infiltração superiores dificultar o transporte de nutrientes através de escoamento superficial. No entanto, em regiões composta por gramíneas, o impacto da chuva no solo desprotegido causa um maior escoamento de nutrientes arrastando em direção ao rio. As áreas de estudo composto por arbustos tinham um padrão intermediário. A capacidade de remoção em zonas tampão de 60m composta por vegetação lenhosa permitiu a remoção de todos os elementos químicos até níveis não detectáveis.

Observaram-se resultados similares nos estudos de Lee et al., (2000), ao avaliar a capacidade de diferentes espécies de vegetação ciliar para a retenção de nutrientes. Para o nitrato, no entanto, com os mesmos autores observaram que a vegetação lenhosa com largura 20m tinha uma boa capacidade de remoção de poluentes, com uma eficiência de 65%. A zona ribeirinha composta de arbustos e gramíneas não obtiveram bons resultados quando comparado com áreas compostas de vegetação lenhosa (Young et al., 1980; Mankin et al., 2007).

72 Áreas composta por gramíneas e arbustos têm uma pequena quantidade de matéria orgânica do solo (<4,5%) e menor atividade microbiana, devido à falta de sombra e materiais vegetais disponiveis no solo. Assim, com o solo desprotegido houve um aumenta do escoamento superficial e o transporte de sedimentos. Dessa forma o tempo de contato entre os poluentes, e os compostos do solo é menor, aumentando a área de dispersão de poluentes, especialmente de P que é transportado por sedimento e adsorvido pelas cargas superficiais de minerais de argila e matéria orgânica (Sharpley et al., 1994).

A adoção do sistema de plantio direto, afeta a dinâmica do P e N no solo, principalmente devido à falta de revolvimento do solo e excesso de matéria orgânica que aumenta o contato entre os colóides e os íons de fósforo e nitrogênio, aumentando a adsorção, favorecendo processos de mineralização e nitrificação (Cahn et al., 1992, Chen e Hong, 2011). Essas condições, combinadas com chuvas curta, mas com forte intensidade na área de estudo e as grandes aplicações de nitrogênio e fósforo em determinadas épocas do ano, leva a uma elevada perda de nutrientes por lixiviação subsuperfícial para água subterrânea, lagos e rios, aumentando o acúmulo de nitrato nesses ambientes (Groffman et al., 2002; Chen e Hong, 2011). Numerosos estudos têm mostrado que o rendimento da agricultura não aumenta significativamente quando as altas taxas de aplicação de fertilizantes excedem um determinado valor, no entanto, a contaminação residual de nitrato e nitrogênio aumenta abruptamente na zona saturada do solo (Syversen, 2002; Schroeder et al., 2004; Hefting et al., 2005; Grismer et al., 2006; Chen e Hong, 2011).

Nas áreas de estudo utilizadas neste trabalho, o nitrogênio (42 mg.L-1_{) e}

73 saturado do solo. As concentrações de nitrato e nitrogênio tiveram uma boa redução na zona ripária composta por vegetação lenhosa, com largura 36m, atingindo 1 mg.L-1 _{e 3 mg.L}-1_{, respectivamente.}

Considerados os nutrientes estudados, o nitrato é a forma mais estável do nitrogênio que é o nutriente agricola mais significativo em termos de contaminação da água e da saúde humana. Por exemplo, a legislação brasileira (Brasil, 2011) e americana (EPA, 2009), sugerem uma concentração máxima de 10 mg.L-1 _{de N-NO}

3- Assim, a vegetação ripária composta por vegetação

lenhosa com uma largura de 36m foram adequados para evitar que a contaminação das águas subterrâneas. Altas taxas de remoção de nitrogênio e nitrato em áreas ripárias também foi relatada por outros pesquisadores (Borin et al, 2005; Hefting et al, 2005; Lovell e Sullivan, 2006).

Outros estudos na Europa e nos Estados Unidos tiveram resultados semelhantes, apesar das diferentes condições climáticas (Wenger, 1999; Borin et al, 2005; Hefting et al, 2005). Estes autores apontam que as larguras menores que 10m fornecem apenas uma proteção limitada contra a contaminação de recursos hídricos por nitratos.

No entanto, áreas ripárias compostas por vegetação lenhosa com uma largura superior a 36m demonstrou ser o mínimo necessário para a manutenção de componentes biológicos responsáveis pela remoção de micropoluentes. Isso inclui tanto do solo como da zona saturadas saturada do solo em áreas de clima temperado e latossolos, onde foi estudada a capacidade do solo para reter substâncias (Groffman et al., 2002). De acordo com a autores, a substâncias orgânicas no solo têm capacidade para ligar e reter aníons tendo grupos amino,

74 ligações peptídicas, e outros polipépticos nitrogenados. Estes aníons, ligados diretamente ou através de metais no caso de fosfatos, são facilmente assimilados pelas plantas. Assim, os solos de áreas de vegetação lenhosa, que se caracterizam por um elevado teor de matéria orgânica depositada sobre o solo obtiveram melhores resultados. Essa ciclagem de matéria orgânica depositada no solo pela vegetação, mantem o ciclo de formação de substâncias húmicas, que também são formadas a partir da decomposição da matéria orgânica.

A técnica de cultivo e manejo do solo também exerce grande influência sobre a qualidade das águas superficiais e subterrâneas (Robertson et al., 1991). Algumas práticas agrícolas são capazes de causar a contaminação por nutrientes ou outros contaminantes agrícolas, particularmente em áreas de solos pouco espessos, com boa drenagem (Muscutt et al, 1993; Uusitalo e Jansson, 2002; Gharabaghi et al., 2006). Neste trabalho, o sistema de plantio direto mostrou excelentes resultados através da redução do escoamento superficial e da concentração de nitrogênio, fósforo e nitrato provenientes de áreas agricolas e os pontos de estudo. Essa queda foi observada em áreas de vegetação lenhosa, arbustiva e grama.

2.7 Conclusão

A relação entre a eficiência de remoção de nutrientes agrícolas por vegetação ripária e as suas principais características em sistemas de plantio direto de zonas temperadas foi estudado. A largura da vegetação foi um fator

75 de 12m mostraram ter uma proteção insuficiente para a concentração de nutrientes utilizados nos locais de estudo. Quanto ao tipo de vegetação, zonas tampão, composto por árvores têm uma taxa de remoção muito eficaz de N, P e

NO3- em comparação com áreas de vegetação arbórea e grama. Os resultados

indicam que a proteção da vegetação ripária deve ser priorizada para proteção dos recursos hídricos superficiais e subterrâneos. A maior eficiência das áreas de vegetação lenhosa de 36m e 60m larguras, combinado com economia agrícola, apresenta um maior potencial de aceitação por parte dos produtores rurais, facilitando assim a difusão desta prática de conservação na agricultura. Além disso, a largura de 36m apresentou ser o suficiente para reduzir a concentração de nitratos para níveis abaixo dos valores exigidos pela legislação de diversos paises, além de conferir proteção das margens dos rios e da água.

2.8 Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelo CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico-Brasil.

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