Materia Organica1

(1)

Matéria Orgânica do Solo

Prof. Paulo Henrique Grazziotti

Microbiologia do Solo

(2)

5. Matéria Orgânica do Solo

5.1. O solo como receptáculo e componente biotransformador

 Qualidade  depende: tipo de vegetação  condições ambientais

 taxa de decomposição

Serrapilheira  queda de material X decomposição

Vegetação Decomposição Serrapilheira K

Mg ha-1_ano-1 _{Mg ha}-1 _ano

Floresta tropical 10 5 3 2 3 3

Floresta tropical 10,5 3,2 3,3

Floresta temperada 4,0 8,4 0,5

K = tempo de renovação

(3)

Velocidade de decomposição dos restos

culturais no solo

(Siqueira e Franco 1988)

culturais no solo

(Siqueira e Franco, 1988) Açúcares Amido

Açúcares Amido

Prot

Proteínaseínas CelulosCelulosee LigninaLignina

oo > resistência à decomposição > resistência à decomposição < 1 ano < 1 ano Fração ativa Fração ativa m posiçã o m posiçã o 66 -- 8 anos8 anos e deco m e deco m 6 6 -- 8 anos8 anos > 100 anos > 100 anos Taxa d e Taxa d e Tempo Tempo Tempo Tempo

(4)

Alterações na composição dos principais

componentes dos resíduos em comparação à

(5)

Concentração relativa dos principais componentes dos restos vegetais (Moreira e Siqueira, 2002)

50 Valores máximos

em

40 45 50 _{Valores mínimos}

n

tag

e

25 30 35

o

rce

n

25 20 15

P

o

10 5 0 celulose 0

hemicelulose lignina proteína cera, gordura

Planta Solo Planta Solo Planta Solo Planta Solo Planta Solo

(6)

Atividade catabólica relativa e contribuição para a biomassa de componentes da biota do solo (Dados de Persson et al., 1980)

(7)

Integração diagramática da respiração como indicador de processos biológicos e qualidade do solo

(8)

Pesticida Enzima Substrato

orgânico

O SOLO COMO O BIOTRANSFORMADOR DO PLANETA O SOLO COMO O BIOTRANSFORMADOR DO PLANETA

Proteína NO2 -orgânico Célula Célula + -- - -DNA DNA DNA -- -argila argila Colóide Colóide Húmico Húmico - - -argila argila colóide húmico -Antibiótico NH4+ Mg + + Ca+ + H+ H2PO4 -Enzima Substrato orgânico -NO3 -argila argila H2PO4 -NH4+ -+ - - _{- - - - -} -Célula Célula microbiana microbiana -+ -+ -- - -Enzima Substrato orgânico -argila argila DNA - _colóide húmico CO₂ N P K S Nutrientes Nutrientes Mineralizados Microrganismo: Microrganismo: “operário” “operário”

A VIDA NO PLANETA CESSARIA EM POUCAS DÉCADAS (?) operário

operário do Solo do Solo húmus

(9)

5.2. Decomposição da MO (NÃO)

5.3. Degradabilidade dos constituintes dos

(10)



A decomposição é favorecida por:

• 5. 4. Fatores que influenciam a decomposição



A decomposição é favorecida por:

1. Resíduos com baixo teor de lignina ou compostos fenólicos

fenólicos

2 Alto teor de materiais solúveis N e partículas de 2. Alto teor de materiais solúveis, N e partículas de

tamanho reduzido

3. com baixa relação C:N, além do próprio teor de N;

4. Condições físicas e químicas do solo que maximizem a atividade biológica

atividade biológica

 temperatura entre 30 e 35o_{C e umidade próxima à capacidade de campo}

e aeração adequada;

(11)



Características dos substratos

 Estrutura química  unidades básicas, tipos de  Estrutura química  unidades básicas, tipos de

ligações químicas, tamanho, forma e grau de polimerização.

 Funções no tecido vegetal  carboidratos estruturais (celulose) e de reserva (amido).

< 1 ano  Resíduos ricos em açúcares, proteínas, amidos e celulose

> 1 ano  Resíduos ricos em lignina, fenólicos, e melaninas

(12)

(13)



O ambiente

 Drenagem insuficiente  decomposição orgânica  Drenagem insuficiente  decomposição orgânica

muito lenta.

 Cultivo  resulta na aceleração da decomposição .  Fatores climáticos (temperatura e chuva) 

influenciam na quantidade, qualidade e na taxa de decomposição

decomposição .

 Na faixa entre 5 e 35 o_{C a decomposição dobra com a}_p _ç

(14)

(15)

(16)

Fatores que controlam a decomposição e

o acúmulo de MOS

 Nível ecossistema  Escala molecular

 macro clima,  tipo de solo,  disponibilidade de O₂,  água, p ,  produção de folhas, de raízes e de serrapilheira, g ,  minerais,  enzimas e  biota do solo e  MOT.  presença de substratos livres ou adsorvidos aos solos.

(17)

Redução do estoque do C do solo após 10

anos de cultivo convencional no Paraná

(18)

Conteúdo e estoque de C à profundidade de 1 m e alterações em solo de cerrado sob diferentes usos alterações em solo de cerrado sob diferentes usos

(Corazza et al., 1999)

Em relação ao cerrado original

Sistema

de uso Conteúdo

Em relação ao cerrado original

Alteração do

estoque atual Tempo Taxa de adição ou perda

---Mg ha-1_--- _Anos _{Mg ha}-1 _ano-1 Cerrado 133 c na* Eucalipto 12 anos _{148 a} +15 12 +1,22 Pastagem cultivada ₁₅₀ +17 18 +0 92 Pastagem cultivada _{150 a} +17 18 +0,92 Cultivo convencional 127 c -5 13 -0,50 Plantio direto 155 a +22 15 +1,43

* Não se aplica Médias seguidas pela mesma letra não diferem entre si pelo teste de Tukey a 5% * Não se aplica. Médias seguidas pela mesma letra não diferem entre si pelo teste de Tukey a 5%.

(19)



Recompor a MOS é um processo lento:



Recompor a MOS é um processo lento:

 tempo necessário para elevar de 3 a

4% a MOS, em um solo que recebe 2 Mg

ha

-1

_ano

-1

_{é de aproximadamente 100}

_p

anos

 plantio direto promove incrementos da

p

MOS e o convencional reduz

 a adição de C é máxima nas florestas

tropicais e solos cultivados

(20)

• 5. 5. Dinâmica e manutenção da MOS

(Parágrafos 1, 4, 5, 6 e 7)



A reciclagem da MOS  é o processo contínuo de deposição, decomposição e renovação da MOS.p ç , p ç ç

 Tempo de reciclagem  é o tempo necessário para  Tempo de reciclagem  é o tempo necessário para

que haja 90% de decomposição da MOS

 Tempo de reciclagem = Estoque de C em equilíbrio

T d d i ã l

Taxa de deposição anual

Ex.:

26 Mg ha

-1

_{___ = 22 anos}

(21)



Leguminosas contribuem para maior adição de C

e N ao solo

 refletindo no acúmulo de COT e NT

PD (dC/td=-0,54+0,129C) PR (dC/td=-0,59+0,081C) a/ano) Plantio direto (PD) PC (dC/td=-1,02+0,115C) t(Mg/h a Plantio reduzido (PR) dC/td ≠ 0) dC/d t dC/td ≠ 0) Plantio convencional (PC) 1. Aveia/milho sem N 2. Ervilha/milho sem N 3. Aveia+ervilha/milho+cau C adicionado, Mg/ha/ano pi sem N 4. Aveia/milho com N 5. Ervilhaca/milho com N 6. Aveia/milho+caupi sem N

Relação entre a quantidade C adicionada e a variação do e ação e t e a qua t dade C ad c o ada e a a ação do seu estoque (dC/dt) na camada superficial de solo submetido a diferentes sistemas de preparo (Lovato et al., 2004)

(22)

C i ã i d MOS i i i f t d t i t d Composição, origem da MOS e principais fatores determinantes da

(23)

Material vegetal e animal

Material vegetal e animal Matéria orgânica do soloMatéria orgânica do solo

Esquema

resumido das

Celulose,

Celulose, hemicelulosehemicelulose, , amido, açucares, amido, açucares, proteínas e outros proteínas e outros Componentes Componentes solúveis e solúveis e oxidáveis oxidáveis resumido das transformações e formação das

frações das proteínas e outrosproteínas e outros

CO₂ CO₂ oxidáveis oxidáveis frações das substancias húmicas no solo Microbiomassa Microbiomassa Componentes Componentes recalcitrantes e recalcitrantes e Lignina, Lignina, ceras e ceras e solo. base nitrogenadas base nitrogenadas ceras e ceras e gorduras gorduras

Cáti _{Substâncias húmicas}_{Substâncias húmicas} Mi i

Humina Humina Ácidos húmicos Ácidos húmicos Ácidos fúvicos Ácidos fúvicos Cátions Minerais de argila

Polimerização, peso molecular, % de C e N e cor escura Polimerização, peso molecular, % de C e N e cor escura

Humina Humina Ácidos húmicos Ácidos húmicos Ácidos fúvicos Ácidos fúvicos

Solubilidade, acidez, CTC, grupos reativos e % de oxigênio Solubilidade, acidez, CTC, grupos reativos e % de oxigênio

(24)

(25)



Vegetação graminóide  a principal fonte de C é a morte das raízes. Ex.:

Pradaria nos EUA

Raízes

_{(Schlesinger, 1977)}

Raízes

8 000 kg de C ha-1 8.000 kg de C ha 1

CO

₂ MO não decomposta

CO

₂ 4.190 kg ha-1 Reciclados a cada: 100 kg de C ha-1 MO não decomposta 5.000 kg de C ha-1 10 anos Hú d l 100 kg de C ha 1 Ác. fúlvicos 100 anos 1 000 Húmus do solo 100.000 kg de C ha-1 Ác. Húmicos e humina 1.000 anos

(26)

5. 6. Compartimentalização e frações da MOS

5 6 1 Compartimentos e transformações 5. 6.1.Compartimentos e transformações Qt = estoque de C; K = constante de decomposição; K constante de decomposição; t_1/2 = meia-vida;

Representação da dinâmica da transformação, alterações e inter-relações das frações determinantes da dinâmica da MOS durante a decomposição.

(27)

(28)

(29)

60 % 11 %

(30)

5. 6.2. As substancias húmicas (húmus)

O hú

d

l



O húmus do solo

 não representa substâncias químicas específicas  é “um estado indefinido e confuso da MOS”

é formado por moléculas recalcitrantes de origem vegetal, combinadas através de reações de

polimerização e ressíntese, com compostos fenólicos derivados da lignina, condensados com a ajuda de

elementos metálicos e arranjos moleculares complexos elementos metálicos e arranjos moleculares complexos e de grande estabilidade química

 “sub-produto” das transformações bioquímicas dos materiais orgânicos

(31)

Possíveis estruturas químicas representativas de substâncias húmicas: ácidos fúlvicos e húmicos.

(32)



Composição do húmus:



Composição do húmus:

-

30 % de aminácidos

-

5 a 20 % de carboidratos

-

40 a 60 % de compostos aromáticos

derivados da lignina

-

2 % de lipídios.

(33)



Principais efeitos do húmus no solo e na

planta

 Melhora as condições físicas, como agregação, aeração, retenção de umidade e permeabilidade do solo

 Aumenta a superfície específica, CTC e efeito tampão

 Atua como agentes de complexação, quelação e retenção de nutrientes e xenobióticos

 Exerce efeitos fisiológicos, como permeabilidade das

membranas, absorção de nutrientes, atividade enzimática e fotossíntese

E ã t t t f t d t i t

 Exerce ação protetora e atua como fonte de nutrientes para os microrganismos

 Atua como reservatório de N P S e micronutrientes  Atua como reservatório de N, P, S e micronutrientes

(34)



Principais efeitos do húmus no solo e na

planta

 Melhoria nas propriedades físicas  reduz a

suscetibilidade à erosão (degradação do solo poluição e suscetibilidade à erosão (degradação do solo, poluição e assoreamento de mananciais hídricos);

 Elevada superfície específica e CTC  pode representar p p p p de 20 a 70 % da CTC do solo

Caráter anfótero  atua como reservatório de cátions (Ca2+_{, Mg}2+_{, K}+ _{e micronutrientes) e ânions (HPO}

42- e SO42-)  Contém 90 % do N e 80 % do P orgânico do solo

 Exerce efeitos fisiológicos sobre as plantas  atuando como aceptores de elétrons, fonte de vitaminas,

b tâ i l d d i t t l t

substâncias reguladoras do crescimento vegetal e agentes antimicrobianos.

(35)

5 6 3 Substâncias orgânicas não humificadas

5. 6.3. Substâncias orgânicas não humificadas

Não

(36)

5. 7. A mineralização da matéria orgânica

ç

g

é a absorção e metabolização de substâncias

de baixo peso molecular pela microbiota do

solo

 ocorre simultaneamente com a imobilização

de nutrientes minerais para atender à demanda

nutricional da microbiota decompositora

 resulta na mineralização (M) ou imobilização

(I) líquida de elementos essenciais

 é de grande interesse para a Fertilidade do

g

p

Solo e Nutrição Vegetal

(37)

Mineralização e imobilização de nutrientes em função da qualidade do substrato em condições aeróbias e sua relação

(38)

Fluxo de N, P e S em Substratos

Orgânicos Ricos e Pobres em Nutrientes

(Siqueira e Franco,1989) O₂ CO₂ SUBSTRATO POBRE EM N P S SUBSTRATO RICO EM N P S POBRE EM N, P, S RICO EM N, P, S Enzimas Extracelulares Enzimas Extracelulares CÉLULA MICROBIANA “BIOMASSA” Compostos Simples Compostos Simples IMOBILIZAÇÃO LÍQUIDA MINERALIZAÇÃ OLÍQUIDA DIMINUÍDA AUMENTADA DISPONIBILIDADE NH+ 4; NO-3; PO-34; SO-2 4 , NO SOLO

(39)

(40)

f

í

( / )



Fatores que afetam o balanço líquido (M/I)



lid d d

íd

(C N C P C S)

qualidade do resíduo (C:N; C:P; C:S)

OBS: Solos com menos de 20 g Kg

-1

_{de MOS não}

OBS: Solos com menos de 20 g Kg de MOS não

fornecem N e outros elementos p/ as plantas

(41)

Relações carbono por unidade de N, P,

e S na MO e disponibilidade de

e S, na MO, e disponibilidade de

nutrientes

lid d d Relação Imobilização(I)/ i ibilid d

Qualidade do substrato

Relação Imobilização(I)/

Mineralização (M) Disponibilidade _{dos nutrientes}

C:N C:P C:S

Pobre _{> 30} _{> 300} _{> 400}

I > M Diminuída

Intermediário 20-30 200-300 200-400 I = M Não alterada

Rico ₂₀ ₂₀₀ ₂₀₀

Rico _{< 20} _{< 200} _{< 200}

(42)

Fases da decomposição e dinâmica da mobilização e imobilização de nutrientes (Siqueira, 1993)

1 = Inicial Fases da decomposição:

imobilização de nutrientes (Siqueira, 1993)

11 22 33 44 1 = Inicial 2 = Bioestabilização 3 = Humificação 4 = Húmus Fases da decomposição: 60 NN A ÇÃO C/ N A ÇÃO C/ N 33 REL A REL A I = Imobilização 8 12 O

(43)

Resposta da microbiota e dinâmica de processos da mobilização em relaçao à disponibilidade de nutrienentes no solo (Modificado de

Stevenson 1986) Taxa de liberação de CO₂ % N Stevenson, 1986) Ganho de NO₃ d ade _uilíbrio NO₃ no solo Q uanti d o lo em Eq u População microbiana Mineralização Q _So Imobilização

Nutrientes disponíveis no solo (Ex: NO₃) Mineralização TEMPO (Ex: NO₃) I bili ã lí id íd Adição de Resíduos

Imobilização líquida: resíduos orgânicos com < de 1,2 % de N e 0,2 % de P

(44)



Efeito “priming”

p

g

 acontece imediatamente após adição de

substâncias orgânicas metabolizáveis ao solo;

 é mais intenso em solos ricos em C e N que

aqueles pobres nesses elementos;

 nunca se observou em condições de solo

estéril Trata se portanto de uma resposta

estéril. Trata-se, portanto, de uma resposta

biológica;

 a intensidade do efeito aumenta com a

quantidade de material orgânico adicionado;

 em gera, a adição de amônia tem efeito mais

(45)

-Relacao entre a dinâmica do “efeito priming” e dos microrganismos (atividade ou quantidade) em resposta a uma interferëncia no solo

(Kuzyakov 2000) (Kuzyakov, 2000)

(46)

Tabela 5.19. Faixa de valores para taxa de mineralização e estimativas da quantidade de N, P e S mineralizada por hectare

Nutriente Taxa de Quantidade mineralizada

Nutriente _{mineralização} Quantidade mineralizada

g g-1 _dia-1 _{kg ha}-1 _dia-1 _{kg ha}-1 _ano-1 _*

Nitrogênio 0,03 - 3,00 0,6 - 6 100 – 1.000

Fósforo 0,02 - 0,19 0,4 - 3,6 73 – 648

Enxofre 0,09 - 0,12 1,8 - 2,4 320 - 430

* Estimado considerando a taxa de mineralização constante durante seis meses por ano * Estimado considerando a taxa de mineralização constante durante seis meses por ano.

(47)



“Fator N”

 expressa o grau em que o resíduo

é deficiente em N para a decomposição

 é o n

o

_{de unidades de N inorgânico necessário}

 é o n

o

_{de unidades de N inorgânico necessário}

para que ocorra imobilização líquida do N do

p

q

ç

q

solo

(48)

Fluxograma e demanda de N para decomposição

de resíduo orgânico no solo

g

(Siqueira, 1993)

Resíduo orgâncio Resíduo orgâncio 10 t 10 t Composição: 50% de carbono 90% de matéria seca 10 t 10 t 1/3 não utilizado 1/3 não utilizado no primeiro ano no primeiro ano 90% de matéria seca 0,5% de nitrogênio 2/3 utilizado (6,7 t x 0,9 x 0,5) 3 t de carbono 3 t de carbono Enzimas

Enzimas MonomerosMonomeros

O₂

Enzimas Enzimas extracelulares

extracelulares _(Ex.:_{(Ex.: gicose}MonomerosMonomeros_gicose))

Célula microbiana Célula microbiana (1500 kg C (1500 kg C -- biomassa)biomassa) (150 kg N (150 kg N -- biomassa)biomassa) Relação C/N = 10 Aproveitamento de energia = 50% 2 Metabolismo respiratório (1,5 t de C) ( g ( g )) CO₂ Demanda de N Demanda de N 120 kg N imobilizado 120 kg N imobilizado (Déficit de N/10 t resíduo) (Déficit de N/10 t resíduo) 150 kg/10 t 150 kg/10 t 30 kg N 30 kg N--resíduo resíduo (6,7 x 0,9 x 0,005) (6,7 x 0,9 x 0,005)

(49)



Práticas p/ evitar imobilização de N nas

culturas

- incorporar os resíduos com alta relação C:N, no

mínimo 60 dias antes do plantio

- Adicionar fertilizantes nitrogenados sempre que

resíduos com alta relação C:N forem

incorporados ao solos destinados ao plantio

imediato

- A manutenção dos retos culturais na superfície

d

l

do solo

(50)

 Compostagem p g  é a decomposição aeróbia e p ç termofílica de resíduos orgânicos por

populações microbianas quimiorganotróficas

é t i d f d t bili ã t ã

 é caracterizada por fases de estabilização e maturação o material obtido é denominado “composto”

 cor escura rico em húmus e contém de 50 a 70% de  cor escura, rico em húmus e contém de 50 a 70% de MO

 ImportânciaImportância  reduz o mal cheiro reduz o mal cheiro

 diminui o volume dos resíduos

 inativa o uso dos rejeitos orgânicos Fatores que afetam a compostagem

Bi di ã óbi óbi / óbi d

 Biodigestão anaeróbia ou aeróbia/anaeróbia  produz energia (biogás) e resíduos

orgânicos (Biossólidos) orgânicos (Biossólidos)

(51)

(52)

Importância da

Importância da M.O.

M.O. do solo

do solo

Importância da

Importância da M.O.

M.O. do solo

do solo

Superfície específica CTC e capacidade tampão Complexação Destoxificação Químicas Matéria Matéria orgânica do solo Agregação e estabilidade Energia metabólica g g ç Aeração e porosidade Retenção de umidade Fluxo hídrico e erosão g

Estoque de nutrientes Atividade biológica Interaçãoes/equilíbrio

(53)

CC

_org

X produtividade

a) Canadá _{b) Tailândia}

CC

_org

X produtividade

/ ha) d e (Mg / u tivida d R2_=0,88 R2_=0,41 Prot u C orgânico do solo (%) Moreira e Siqueira, 2006

(54)

Possíveis efeitos diretos e indiretos da adição de MO so solo: a MOS atua diretamente sobre várias características e, indiretamente, via

microbiota do solo microbiota do solo