UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Agrícola
CAMILA VIANA VIEIRA FARHATE
EXPANSÃO DE CANAVIAL E SISTEMAS DE MANEJO CONSERVACIONISTAS PARA PRODUÇÃO DE CANA-DE-AÇÚCAR NO SUDESTE BRASILEIRO
CAMPINAS 2019
EXPANSÃO DE CANAVIAL E SISTEMAS DE MANEJO CONSERVACIONISTAS PARA PRODUÇÃO DE CANA-DE-AÇÚCAR NO SUDESTE BRASILEIRO
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Engenharia Agrícola, na Área de Água e Solo.
Orientador: Prof. Dr. Zigomar Menezes de Souza Coorientador: Prof. Dr. Newton La Scala Júnior
ESTE TRABALHO CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA CAMILA VIANA VIEIRA FARHATE, E ORIENTADA PELO PROF. DR. ZIGOMAR MENEZES DE SOUZA.
CAMPINAS 2019
________________________________________________________________ Prof. Dr. Zigomar Menezes de Souza – Presidente e Orientador
_________________________________________________________________ Dr. Carlos Eduardo Pellegrino Cerri – Membro Titular
_________________________________________________________________ Dr. Cassio Antonio Tormena – Membro Titular
_________________________________________________________________ Dra. Isabella Clerici de Maria – Membro Titular
_________________________________________________________________ Dr. Cristiano Alberto de Andrade – Membro Titular
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica da discente.
Aos meus pais, Elbe Antonio Vieira e Lucinete Viana Vieira, por lutarem pela minha formação.
Ao meu esposo, amigo e companheiro André Pregnholato Farhate por todo amor, apoio, carinho, cuidado, paciência e cumplicidade.
Ao nosso Senhor Jesus Cristo por um dia ter se revelado a mim e desde então estar presente em todos os momentos de minha vida me guardando e direcionando meus passos.
Ao meu esposo André Pregnolato Farhate, que desde que nos conhecemos sempre me apoiou e incentivou a prosseguir na carreira acadêmica e, que em muitos momentos foi meu alicerce, meu porto, tornando essa caminhada mais leve e prazerosa.
Aos meus pais, Elbe Antonio Vieira e Lucinete Viana Vieira por lutarem pela minha formação e por muitas vezes se privarem de conforto e de suas vaidades para que eu pudesse concluir minha graduação.
Á minha irmã, Rafaela Viana Vieira por todo carinho e amizade.
Ao professor Dr. Zigomar Menezes de Souza, a quem aprendi a admirar e quem ao longo desses anos foi um exemplo de competência e, a quem eu sou extremante grata pelas orientações e pela confiança em mim depositada.
Ao meu coorientador Dr. Newton La Scala Júnior, que apesar da distância sempre esteve prontamente presente para me coorientar em qualquer questão relacionada à tese ou a Pós-Graduação.
À Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola, pela oportunidade que eu tive para desenvolver meu doutorado.
Ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq) (Processo: 140945/2015-6) pela concessão da bolsa de estudos e a Fundação Agrisus (Processo: 1439/15) pelo suporte financeiro destinado à realização do projeto de pesquisa.
À Usina Usina Santa Fé, por fornecer a área experimental e por apoiarem questões práticas da execução desse estudo no campo, no qual destaco em especial a participação do Sr. Vanderlei, Sr. João, Sr. Valentim (Robô), Matheus Rodrigues e Gustavo.
Aos amigos que fiz durante esses anos de Pós-Graduação, Allan Charlles Mendes de Sousa, Ana Paula Guimarães Santos, Rose Luiza Moraes Tavares, Elizeu de Souza Lima e, especialmente Ingrid Nehmi de Oliveira, Lenon Henrique Lovera e Wellingthon da Silva Junnyor que dividiram o trabalho de campo comigo e a execução das análises laboratoriais.
Aos alunos de Iniciação Científica Antônio Beraldo Neto, Gabriel Sgarbi Aravéchia, João Guilherme Teixeira, Euriana Maria Guimarães e Icaro Sadao Matsuda Tamashiro, que ao desenvolverem seus projetos me auxiliaram na conclusão desta tese.
ensinamentos.
Ao professor Dr. José Luiz Rodrigues Torres que sempre esteve disponível para tirar minhas dúvidas à medida que elas foram surgindo.
Ao professor Dr. Maurício Roberto Cherubin pelas preciosas considerações feitas nos artigos a serem publicador a partir desta tese.
Aos professores membros da banca pela disponibilidade em participar da cerimônia de defesa e, pelas observações e considerações realizadas nesta tese, as quais eu tenho a absoluta certeza que foram com o objetivo de melhorar este trabalho.
A todos que contribuíram alguma forma para o êxito deste trabalho.
pastagens em lavouras de cana-de-açúcar, onde pode ocorrer perdas ou ganhos significativos na qualidade do solo em decorrência do manejo específico adotado na cana-de-açúcar. Nesse contexto, o objetivo dessa tese foi avaliar o impacto nos atributos físicos, químicos e na qualidade do solo do uso de diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparo do solo utilizados durante o plantio da cana-de-açúcar, em relação ao sistema convencional. Adicionalmente foi analisado o desempenho do algoritmo Random Forest para predizer a qualidade do solo a partir de um conjunto mínimo de variáveis. O estudo foi realizado em uma área experimental no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil. O delineamento experimental foi o em faixas, com três repetições, em que quatro plantas de cobertura foram dispostas nas faixas horizontais (amendoim, milheto, crotalária e sorgo) e três sistemas de preparo do solo nas faixas verticais (sem preparo do solo, subsolagem a 0,40 m e subsolagem profunda a 0,70 m de profundidade), para fins comparativos, foi implantado também um tratamento testemunha, sem plantas de cobertura e com preparo convencional do solo. O período de avaliação correspondeu ao primeiro e segundo ciclo de produção de cana-de-açúcar, ou seja, cana planta e soca (safra 2015/16 e 2016/17). Foram avaliados a densidade do solo, grau de compactação, macro e microporosidade, diâmetro médio ponderado, potencial hidrogeniônico (pH), fósforo, cálcio, magnésio, potássio e teor de carbono orgânico. As variáveis pH, densidade do solo e teor de carbono orgânico foram selecionadas para compor um único índice representativo da qualidade do solo. Com base nos resultados obtidos conclui-se que o cultivo de plantas de cobertura e sistemas de preparo conservacionistas, tais como a crotalária e o milheto, associadas eventualmente a subsolagem durante a implantação do canavial, proporcionam, maior qualidade física e disponibilidade de nutrientes no solo, levando consequentemente a uma maior qualidade do solo que o preparo convencional (pousio seguido de preparo convencional). No entanto, o cultivo intensivo e altamente mecanizado da cana-de-açúcar reduz a qualidade do solo ao longo dos ciclos de produção. Por fim, o modelo obtido para predizer a qualidade do solo usando o algoritmo Random Forest apresentou elevada taxa de acerto.
Palavras-chave: Dinâmica do solo, estrutura do solo, física do solo, físico-química do solo, levantamento do solo, solos - análise.
common in Brazil and there may be significant losses or gains in soil quality due to the specific management used in sugarcane. In this context, the aim of this thesis was to assess the impact on the physical, chemical attributes and soil quality of the use of different cover crops and soil tillage systems used during sugarcane planting in relation to the conventional system. In addition, the performance of the Random Forest algorithm was analyzed to predict soil quality from a minimum set of variables. The study was carried out in an experimental area in the municipality of Ibitinga, São Paulo, Brazil. The experimental design was the one in bands, with three replications, in which four cover crops were arranged in the horizontal bands (peanuts, millet, sunn hemp and sorghum) and three tillage systems in the vertical bands (no-tillage, subsoiling at 0.40 m and subsoiling at 0.70 m), for comparative purposes, a control treatment was also implemented, without cover crop (fallow) and with conventional soil tillage. The assessed period corresponded to the first and second cycle of sugarcane production, that is, sugarcane plant and ratoon (2015/16 and 2016/17 crop). Soil bulk density, compaction degree, macro and microporosity, mean weight-diameter, hydrogen ionic potential (pH), phosphorus, calcium, magnesium, potassium and organic carbon content were assessed. The variables pH, soil bulk density and organic carbon content were selected to compose a single index representative of soil quality. On the basis of the results obtained it is concluded that the cultivation of cover crops and more conservation systems, such as sunn hemp and millet, possibly associated with subsoiling during the implantation of the sugarcane field, provides greater physical quality and availability of nutrients in the soil, leading to higher soil quality than conventional soil tillage (fallow followed by conventional tillage). However, the intensive and highly mechanized cultivation of sugarcane reduces the soil quality throughout the production cycles. Finally, the model obtained to predict soil quality using the Random Forest algorithm presented a high rate of accuracy.
Keywords: soil dynamics, soil structure, soil physical, physical-chemical of the soil, soil survey, soils-analyzes.
São Paulo e ao Brasil. ... 33 Figura 2. Temperatura mínima, máxima, média e precipitação mensal do município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. Fonte: Série histórica mensal dos municípios paulista (1961-1991), Cepagri (2018). ... 33 Figura 3. Caracterização granulométrica da área experimental, localizado no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. ... 34 Figura 4. Plantio das culturas de cobertura na área experimental, localizada no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. A = Plantio da Crotalaria juncea e sorgo biomassa; B = Plantio do amendoim; C = Plantio do milheto. ... 36 Figura 5. Plantas de cobertura utilizadas em área de expansão de canavial em área experimental, localizado no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. A = Crotalaria juncea; B = Milheto; C = Sorgo biomassa; D = Amendoim. ... 37 Figura 6. Preparo do solo e plantio da cana de açúcar em área experimental, localizado no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. ... 38 Figura 7. Sequência de eventos que ocorreram na área de estudo, localizada em Ibitinga, São Paulo, Brasil... 39 Figura 8. Representação esquemática do delineamento experimental, com destaque para as plantas de coberturas, sistemas de preparo do solo e para o tratamento testemunha. SP1 = plantio direto; SP2 = subsolagem a 0,40 m de profundidade e SP3 = subsolagem a 0,70 m de profundidade (SP3). ... 40 Figura 9. Esquema de amostragem de solo realizado durante a caracterização da área e ao término de cada ciclo de produção. ... 41 Figura 10. Temperatura média (°C) e precipitação (mm), registradas no período de desenvolvimento da cana planta e soca, na área experimental localizada no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. ... 45 Figura 11. Densidade do solo (kg dm-3) em área de expansão do canavial utilizando diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. SP1 = sem preparo; SP2 = subsolagem a 0,40 m; SP3 = subsolagem a 0,70 m. Letras minúsculas comparam os sistemas de preparo do solo e maiúsculas as plantas de cobertura, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade. ... 57 Figura 12. Grau de compactação (%) em área de expansão do canavial utilizando diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. SP1 = sem preparo; SP2 = subsolagem a 0,40 m; SP3 = subsolagem a 0,70 m. Letras minúsculas comparam os sistemas de preparo do solo e maiúsculas as plantas de cobertura, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade. ... 58 Figura 13. Macroporosidade (m3 m-3) em área de expansão do canavial utilizando diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. SP1 = sem preparo; SP2 = subsolagem a 0,40 m; SP3 = subsolagem a 0,70 m. Letras minúsculas comparam os sistemas de preparo do solo e maiúsculas as plantas de cobertura, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade. ... 61 Figura 14. Microporosidade (m3 m-3) em área de expansão do canavial utilizando diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. SP1 = sem preparo; SP2 = subsolagem a 0,40 m; SP3 = subsolagem a 0,70 m. Letras minúsculas comparam os sistemas de preparo do solo e maiúsculas as plantas de cobertura, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade. ... 62
de preparo do solo e maiúsculas as plantas de cobertura, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade. ... 64 Figura 16. Localização da área experimental no município de Ibitinga, em relação ao estado de São Paulo e ao Brasil. ... 72 Figura 17. Temperatura média (°C) e precipitação (mm), registradas no período de desenvolvimento da cana planta e soca, na área experimental localizada no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. ... 73 Figura 18. Produção de massa seca (A) e relação C:N (B) das plantas de cobertura utilizadas antecessoras a implantação do canavial... 76 Figura 19. Acúmulo de carbono, nitrogênio e macronutrientes nos resíduos vegetais das plantas de cobertura utilizadas antecessoras a implantação do canavial. (A) fósforo (kg ha-1); (B)
potássio (kg ha-1); (C) cálcio (Mg ha-1); (D) magnésio. ... 77 Figura 20. Índice de qualidade do solo (IQS) em área de expansão do canavial utilizando diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. SP1 = sem preparo; SP2 = subsolagem a 0,40 m; SP3 = subsolagem a 0,70 m. Letras minúsculas comparam os sistemas de preparo do solo e maiúsculas as plantas de cobertura, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade. ... 105 Figura 21. Validação do modelo gerado para predição da qualidade do solo em áreas de cana-de-açúcar utilizando o algoritmo Random Forest. ... 106
em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil. ... 35 Tabela 2. Caracterização dos atributos químicos e estoque de carbono do solo da área de pastagem antes da conversão em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil. ... 35 Tabela 3. Produção de massa seca, relação C:N, acúmulo de carbono, nitrogênio e macronutrientes nos resíduos vegetais das plantas de cobertura. ... 36 Tabela 4. Algoritmo básico da modelagem Random Forest para regressão. ... 44 Tabela 5. Quadro inicial da análise de variância do experimento fatorial com tratamento adicional desenvolvido em área experimental localizada em Ibitinga-SP. ... 46 Tabela 6. Quadro inicial da análise de variância para o experimento em faixas com delineamento em blocos ao acaso desenvolvido em área experimental localizada em Ibitinga – SP. ... 46 Tabela 7. Caracterização granulométrica da área experimental e classificação da textura. .... 50 Tabela 8. Caracterização dos atributos físicos do solo da área de pastagem antes da conversão em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil. ... 51 Tabela 9. Descrição dos tratamentos avaliados na área de estudo, localizada em Ibitinga, São Paulo, Brasil... 52 Tabela 10. Densidade do solo (kg dm-3) e grau de compactação (%) em função de diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. ... 56 Tabela 11. Macro e microporosidade (m3 m-3) em função de diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. ... 60 Tabela 12. Diâmetro médio ponderado do solo (mm) em função de diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. ... 63 Tabela 13. Caracterização granulométrica da área experimental e classificação da textura. .. 73 Tabela 14. Caracterização dos atributos químicos da área de pastagem antes da conversão em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil. ... 74 Tabela 15. Teor de fósforo (mg kg-1) e potássio (mmolc kg-1) em área de cana-de-açúcar
cultivada com diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos do solo. ... 79 Tabela 16. Fósforo (Mg m-3) em área de cana-de-açúcar cultivada com diferentes plantas de
cobertura e sistemas de preparos de solo. ... 80 Tabela 17. Potássio (mmolc kg-1) em área de cana-de-açúcar cultivada com diferentes plantas
de cobertura e sistemas de preparos de solo. ... 81 Tabela 18. Teor de cálcio e magnésio (mmolc kg-1) em área de cana-de-açúcar cultivada com
diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos do solo. ... 83 Tabela 19. Cálcio em área de cana-de-açúcar cultivada com diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. ... 84 Tabela 20. Magnésio em área de cana-de-açúcar cultivada com diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos de solo. ... 85
sistemas de preparos de solo. ... 87 Tabela 23. Caracterização dos atributos físicos do solo da área de pastagem antes da conversão em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil. ... 95 Tabela 24. Caracterização dos atributos químicos e estoque de carbono do solo da área de pastagem antes da conversão em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil. ... 96 Tabela 25. Descrição dos tratamentos avaliados na área de estudo, localizada em Ibitinga, São Paulo, Brasil... 97 Tabela 26. Atributos físicos e químicos do solo utilizados para compor o banco de dados para o cálculo do índice de qualidade do solo ... 98 Tabela 27. Seleção de um conjunto mínimo de dados para o cálculo do índice de qualidade do solo, por meio da análise de componentes principais. ... 101 Tabela 28. Matriz de correlação de Pearson (r) entre as variáveis químicas e físicas em área de expansão do canavial cultivada com diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparo do solo... 102 Tabela 29. Índice de qualidade do solo em área de cana-de-açúcar cultivada com diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparos do solo. ... 103
16 1. INTRODUÇÃO 16 2. HIPÓTESE 19 3. OBJETIVOS 19 3.1 Objetivo geral 19 3.2 Objetivos específicos 19 4. ORGANIZAÇÃO DA TESE 20 5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 21
5.1 O Setor sucroenergético no Brasil 21
5.2 Utilização de plantas de cobertura 23
5.3 Sistemas de preparo do solo em cana-de-açúcar 27
5.4 Qualidade do solo 29
6. METODOLOGIA GERAL 33
6.1 Descrição da área de estudo e histórico da área 33
6.2 Instalação e condução do experimento 35
6.3 Delineamento experimental e tratamentos 39
6.3.1 Plantas de cobertura 39
6.3.2 Sistemas de preparo do solo 39
6.3.3 Testemunha 40
6.4 Amostragens do solo 41
6.5 Análise dos atributos físicos 41
6.5.1 Análise granulométrica 41
6.5.2 Densidade de partículas, densidade do solo e porosidade do solo 42
6.5.3 Estabilidade de agregados 42
6.6 Análises químicas do solo 42
6.7 Análises químicas dos resíduos vegetais das plantas de cobertura 42
6.8 Teor de carbono total 43
6.9 Índice de qualidade do solo 43
6.10 Modelagem preditiva 44
6.11 Clima 44
6.12 Análise estatística 45
CAPÍTULO 2 – QUALIDADE FÍSICA DO SOLO ASSOCIADAS AO MANEJO DA
CANA-DE-AÇÚCAR NO BRASIL 47
7. INTRODUÇÃO 48
8. MATERIAL E MÉTODOS 50
8.1 Descrição da área de estudo e histórico da área 50
8.2 Delineamento experimental e tratamentos 52
8.3 Amostragem de solo e análises laboratoriais 52
8.4 Análise estatística 53
9. RESULTADOS 55
CANA-DE-AÇÚCAR SOB DIFERENTES SISTEMAS DE MANEJOS 69
13. INTRODUÇÃO 70
14. MATERIAL E MÉTODOS 72
14.1 Descrição da área de estudo 72
14.2 Histórico da área 73
14.3 Delineamentos experimental 75
14.4 Amostragem de solo e análises laboratoriais 75
14.5 Análise estatística 75
15. RESULTADOS 76
16. DISCUSSÃO 88
17. CONCLUSÕES 90
18. AGRADECIMENTOS 90
CAPÍTULO 4 – QUALIDADE DO SOLO EM RESPOSTA A PRÁTICAS DE MANEJO
ADOTADAS DURANTE O CULTIVO DE CANA-DE-AÇÚCAR 91
19. INTRODUÇÃO 92
20. MATERIAL E MÉTODOS 95
20.1 Descrição e histórico da área 95
20.2 Delineamento experimental 97
20.3 Amostragem de solo e análises laboratoriais 97
20.4 Índice de qualidade do solo 99
20.5 Modelagem preditiva 99
20.6 Análise estatística 100
21. RESULTADOS 101
22. DISCUSSÃO 107
22.1 Índice de qualidade do solo 107
22.2 Impactos do manejo da cana-de-açúcar na qualidade do solo 108 22.3 Análise preditiva da qualidade do solo utilizando o algoritmo Random Forest 110
23. CONCLUSÕES 111
24. AGRADECIMENTOS 111
25. CONSIDERAÇÕES FINAIS 112
25. REFERÊNCIAS 113
26. ANEXOS 132
Anexo 1 – Ficha de descrição morfológica utilizada na classificação do solo da área de
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO, REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E METODOLOGIA GERAL
1. INTRODUÇÃO
A biomassa da cana-de-açúcar é um produto versátil e eficiente para garantir a população mundial alimentos e energia de forma simultânea, o que a torna um produto essencial não apenas no Brasil, mas também para outros países do mundo (SOZINHO et al., 2018). No que diz respeito ao cenário mundial, a produção brasileira de cana-de-açúcar lidera o ranking entre os maiores produtores, seguido pela Índia e China. Estima-se que para safra 2018/19 no Brasil sejam colhidos aproximadamente nove milhões hectares, com uma produtividade média de 73 kg ha-1. A região sudeste ainda permanece como a maior produtora nacional, com uma
produção prevista de 412 milhões de toneladas de cana-de-açúcar processadas (CONAB, 2018). Esses resultados são consequência de mudanças significativas que ocorreram no setor de produção de cana-de-açúcar nos últimos anos (FILOSO et al., 2015). A mais importante foi à eliminação gradual da queima dos canaviais antes da colheita e, aumento proporcional na área com colheita mecânica (CHAGAS et al., 2016a). Com o advento da colheita mecanizada, surgiram novas tecnologias e melhorias foram feitas em todos os processos de plantio e colheita (SANTORO et al., 2017). Em consequência desse cenário favorável à produção, a área plantada com cana-de-açúcar está em constante expansão. Entre 1990 e 2011, por exemplo, a área cultivada com a cultura aumentou em 45% e a produtividade aumentou de cerca de 8 para 40 bilhões de Mg ano-1, havendo um acréscimo de 1,5 bilhão de Mg ano-1 (FILOSO et al., 2015).
A ocorrência mais comum de expansão de canaviais no Brasil é a conversão de pastagens em lavouras de cana-de-açúcar (CONAB, 2013; LAPOLA et al., 2014; DIAS et al., 2016; OLIVEIRA et al., 2016). Porém, a expansão de canaviais sob áreas de pastagem gera uma “dívida de carbono” em decorrência de perdas significativas desse elemento na forma de CO2, promovidas pela decomposição acelerada da matéria orgânica do solo devido à destruição
da pastagem e perturbação da estrutura do solo para implantação das lavouras de cana-de-açúcar (MELLO et al., 2014). Sendo assim, a expansão de canaviais pressiona a sustentabilidade do planeta, exigindo medidas sustentáveis para que essa expansão ocorra (GOLDEMBERGE et al., 2014; MELLO et al., 2014).
Outro desafio que o setor sucroenergético enfrenta, está relacionado ao acelerado processo de degradação do solo promovido pelo excessivo tráfego de máquinas, intenso revolvimento do solo e monocultivo. O tráfego em canaviais é caracterizado por maquinários e
implementos pesados, que realizam operações agrícolas, tais como, preparo do solo, adubação, controle de pragas e ervas daninha e a colheita da cultura. Pelo fato da cultura produzir cana por diversas soqueiras (aproximadamente 5 ou 6), estar associado ao elevado tráfego de máquinas ao longo dos ciclos de cultivo, essas áreas tendem a apresentar severa compactação do solo ao final do ciclo (SOUZA et al., 2015; WHITE; JOHNSON, 2018).
O preparo do solo é uma excelente ferramenta para romper camadas compactadas. Porém, é também uma das atividades agrícolas que mais influenciam a decomposição de matéria orgânica e perdas de carbono para a atmosfera na forma de CO2 (TEIXEIRA et al.,
2011; ABDALLA et al., 2013). O rompimento dos agregados do solo, expõe a matéria orgânica, conduzindo à sua rápida oxidação (USSIRI; LAL, 2009; SCHWARTZ et al., 2010). Além disso, há o efeito adicional causado pela incorporação de fragmentos e restos de material orgânico ao solo, que tende a acelerar o processo de decomposição (USSIRI; LAL, 2009; TEIXEIRA et al., 2011). Desta forma, o preparo inadequado do solo, por meio de arações e gradagens sucessivas, podem resultar em perdas significativas de carbono.
Por outro lado, a adoção de sistemas de manejo conservacionistas, cujas bases estão fundamentadas em princípios, tais como a redução da perturbação do solo, manejo dos resíduos culturais e de culturas de cobertura, com objetivo de oferecer uma cobertura de solo permanente e aumento do teor de matéria orgânica em horizontes superficiais, torna possível reverter o processo de degradação inerente às práticas agrícolas convencionais de manejo (BHAN; BEHERA, 2014).
Em adição, as plantas de cobertura, também denominadas culturas interculturas ou culturas de captura, são culturas que substituem o pousio durante o período de entressafra e, muitas vezes são cultivadas como adubos verdes antes do cultivo da cultura principal (POEPLAU et al., 2015). A utilização de plantas de cobertura, associadas a sistemas de preparo do solo conservacionistas, tendem a potencializar as chances de reverter o processo de degradação, pois as plantas de cobertura, além de beneficiar o solo no que diz respeito ao controle da erosão, promovem a ciclagem de nutrientes, o controle das perdas de nutrientes por lixiviação, a proteção do solo contra a ação direta dos raios solares e, por fim, quebra do ciclo de monocultivo (BERTONI; LOMBARDI NETO, 1990).
Nesse contexto, estratégias de manejo como essas, que mantenham a fertilidade do solo adequada para o crescimento da cultura, aumentem o sequestro de carbono do solo e, reduzam a compactação e a erosão do solo, são recomendadas para melhorar a qualidade do solo e a sustentabilidade da produção de cana-de-açúcar no Brasil (CHERUBIN et al., 2016a). Para isso, a elaboração de uma ferramenta de apoio que classifique a qualidade do solo e
possibilite a tomada de decisão de forma rápida e precisa em relação às práticas de manejo que estão sendo adotadas torna-se essencial para mitigar a degradação inerente a lavouras de cana-de-açúcar brasileiras.
Em paralelo, a mineração de dados, definida como sendo a exploração e a análise de grandes quantidades de dados, por meio automático ou semiautomático, a fim de descobrir padrões e regras significativas (BERRY; LINOFF, 1997), é uma boa alternativa para compreender a dinâmica dos atributos no solo e prever a qualidade do solo em áreas cultivadas com cana-de-açúcar, de forma a permitir a tomada de decisão a respeito do melhor sistema de manejo a ser adotado. Dentre as técnicas de mineração de dados, a modelagem preditiva utilizando o algoritmo Random Forest, é considerada uma das tarefas de mineração de dados mais precisa disponível na literatura e, apresenta como vantagens à rapidez no processamento, facilidade para implementação dos resultados, elevada precisão e capacidade para lidar com um número muito grande de variáveis de entrada sem sobreposição (BIAU, 2012).
2. HIPÓTESE
Nesse contexto, essa tese se baseou nas seguintes hipóteses: i) A associação de plantas de cobertura e sistemas de preparo do solo conservacionistas, durante a implantação de lavouras de cana-de-açúcar, diminuem a compactação, aumentam a fertilidade do solo e melhoram a qualidade do solo, em comparação ao sistema convencional e; ii) A utilização do modelo Random Forest para predizer a qualidade do solo a partir de atributos físico e químicos, fornece um modelo preditivo com elevada precisão e acurácia.
3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo geral
O objetivo desse estudo foi avaliar o impacto nos atributos físicos, químicos e na qualidade do solo do uso de diferentes plantas de cobertura e sistemas de preparo do solo utilizados durante o plantio da cana-de-açúcar, em relação ao sistema convencional. Adicionalmente foi analisado o desempenho do algoritmo Random Forest para predizer a qualidade do solo a partir de um conjunto mínimo de variáveis.
3.2 Objetivos específicos
Para o cumprimento deste objetivo geral, foram apresentados a seguir os objetivos específicos:
i) Determinar os atributos físicos e químicos do solo, tais como, densidade, porosidade, estabilidade de agregados, teores de fósforo, potássio, cálcio, magnésio e carbono, durante os ciclos de produção da cana planta e soca.
ii) Agrupar os atributos físicos e químicos em um único índice de qualidade do solo e, em seguida utilizar o algoritmo Random Forest para predizer a qualidade do solo em áreas de cana-de-açúcar sob diferentes configurações de manejo.
4. ORGANIZAÇÃO DA TESE
Está tese está organizada em quatro capítulos. No primeiro capítulo encontra-se uma breve introdução contendo as principais motivações que levaram ao desenvolvimento desse estudo, assim como os objetivos gerais e específicos, a revisão bibliográfica e metodologia geral empregada no desenvolvimento desta tese. Os resultados encontrados foram organizados na forma de artigos e estão apresentados no segundo, terceiro e quarto capítulo desta tese.
No segundo capítulo foi avaliado impacto da adoção de práticas de manejo conservacionistas de caráter vegetativo e mecânico nos atributos físicos do solo em área de expansão de cana-de-açúcar. O terceiro capítulo, por sua vez, apresenta os impactos da adoção dessas práticas, na qualidade química do solo. No quarto e último capítulo, ambos os atributos, físicos e químicos, foram agrupados em um único índice de qualidade do solo visando avaliar o impacto do uso de plantas de cobertura e sistemas de preparo com menor grau de revolvimento em relação ao sistema convencional. Por fim, foi avaliado o desempenho do algoritmo Random Forest para predizer a qualidade do solo a partir de um conjunto mínimo de variáveis.
5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
5.1 O Setor sucroenergético no Brasil
Atualmente, a perspectiva de aumento da população em um planeta onde quantidade de terras disponíveis a agricultura é limitada, têm levado as autoridades mundiais a se preocuparem com questões relacionadas ao fornecimento de alimentos e energia de forma simultânea e, ao mesmo tempo elaborar estratégias para promover uma maior produção e consumo de combustíveis renováveis e sustentáveis.
Considerando essa problemática, a produção de cana-de-açúcar brasileira se destaca, pois garante tanto a produção de alimentos como de energia, além de diminuir significativamente a dependência do petróleo, principal fonte energética mundial. Porém, as técnicas utilizadas atualmente no momento da expansão de lavouras de cana-de-açúcar e empregadas durante o manejo da cultura da cana-de-açúcar tem levado a degradação de seus atributos físicos, químicos e contribuído para o aumento do efeito estufa adicional. Em consequência, surgem algumas dúvidas quanto aos reais benefícios da produção de etanol e açúcar brasileiros, uma vez que, as práticas convencionais de manejo comprometem os benefícios sociais, ambientais e econômicos que essa cultura poderia proporcionar.
A cana-de-açúcar pertence à família Poaceae e ao gênero Saccharum, a qual foi introduzida no continente americano em 1493 por Cristóvão Colombo (FIGUEIREDO, 2010). Desde então é conhecida como matéria-prima para a produção de açúcar e álcool (SOUZA et al., 2014a) e, tradicionalmente cultivada em monocultura, ou seja, sem rotação de culturas, durante cinco a seis ciclos de soca, depois disso os canaviais são “reformados” ou replantados, exigindo a eliminação das soqueiras (mecanicamente com ou sem aplicação de produtos químicos), preparo do solo e restabelecimento da cultura, onde colmos recém-cortados são distribuídos em sulcos de plantio do solo preparado (LISBOA et al., 2011).
Atualmente, o aumento expressivo na área plantada e na produção de cana-de-açúcar é sustentada pelo uso de novas tecnologias e pelo elevado índice de mecanização da cultura, que culminaram com a colheita mecanizada da maioria das áreas cultivadas do país, sendo essa considerada uma tecnologia de alto nível em todo mundo, com reconhecidos benefícios ambientais e econômicos (VISCHI FILHO et al., 2015).
A população mundial está aumentando e, a demanda por alimentos e energia cresce proporcionalmente, levando à necessidade de abrir novas fronteiras para produção agrícola (BUSARI et al., 2015). Segundo a companhia nacional de abastecimento (CONAB) a cana-de-açúcar é uma das grandes alternativas para o setor de biocombustíveis mundial, devido ao
esgotamento das jazidas petrolíferas e ao elevado preço da extração do petróleo. Dessa forma, o aumento da demanda mundial por etanol oriundo de fontes renováveis, aliado às grandes áreas cultiváveis e condições edafoclimáticas favoráveis à produção de cana-de-açúcar, tornam o Brasil um país promissor para a exportação desta commodity (CONAB, 2018).
O estado de São Paulo é responsável por aproximadamente 60% de toda produção nacional e, as áreas de cana-de-açúcar concentram-se principalmente no centro e no norte do estado (DIAS et al., 2016). Embora o setor sucroenergético tenha passado recentemente por uma crise impulsionada por aumentos nos custos de produção, perdas de matéria-prima em função de seguidas intempéries climáticas e a diminuição da competitividade do etanol, agravada pelo controle estatal do preço da gasolina (SANTOS et al., 2015), a necessidade de aumentar a produção para atender a demanda de etanol direcionam a retomada de crescimento do setor levando a um aumento da área plantada, principalmente na região centro-sul do Brasil. Em concordância, têm se observado reduções significativas nas áreas de pastagens, naturais e plantadas simultaneamente a expansão das áreas cultivadas com cana-de-açúcar nessa região (RUDORFF et al., 2010; ADAMI et al., 2012; LAPOLA et al., 2014; DIAS et al., 2016). Contudo, a conversão de pastagem em lavouras de cana-de-açúcar é um assunto que demanda grande atenção, uma vez que podem aumentar as emissões de gases de efeito estufa (GEE), pelo menos no estágio de transição, em consequência da exposição do carbono orgânico, mineralização e consequente produção e emissão de CO2 (BENTO et al., 2018). Somado a isso,
estudos também apontam reduções significativas no estoque de nitrogênio e carbono do solo (FRANCO et al., 2015) e, deterioração da estrutura do solo (FRANCO et al., 2017).
Entretanto, deve-se considerar que, apesar da conversão de pastagens em lavouras de cana-de-açúcar apresentar seus aspectos negativos, esse cenário impede a conversão de grandes áreas de florestas em terras agrícolas, resultando por fim, em menores emissões de GEE para a atmosfera, por reduzir as emissões resultantes do desmatamento, tornando-se uma estratégia importante para mitigar as emissões de dióxido de carbono (ALKIMIM et al., 2015). Além disso, a biomassa da cana-de-açúcar é uma fonte importante de carbono para o solo havendo tendência geral de aumento do carbono orgânico do solo em áreas sob colheita mecanizada sem queima, relacionada principalmente à grande entrada de material orgânico pelos resíduos da lavoura de cana-de-açúcar (OLIVEIRA et al., 2017). Em um estudo realizado por Carvalho et al. (2017), por exemplo, os autores indicaram que o resíduo de cana-de-açúcar acima do solo foi a principal fonte de carbono no solo e representou 54% e 82% do total de insumo de carbono para a região de Jaboticabal e Pradópolis, São Paulo, Brasil, respectivamente. Entretanto, ao final de um período completo de produção de cana-de-açúcar
(aproximadamente seis cortes), se a área for replantada utilizando o preparo convencional do solo, caracterizado por grande perturbação do solo usando aração, gradagem e, comumente, a subsolagem (OLIVEIRA et al., 2017) há possibilidade de que todo o carbono armazenado durante os anos de cultivos seja perdido no momento da reforma do canavial (LUCA et al., 2018).
Nesse contexto, a compreensão do processo de mudança de uso da terra e estudos de longa duração sobre o comportamento do estoque de carbono em diferentes sistemas de manejo, são bons indicadores para entender os controles espaciais e temporais que desencadeiam a degradação do solo. E com isso, traçar estratégias para reverter esse processo de forma a garantir um aumento na produção de açúcar e álcool brasileira, utilizando práticas agrícolas sustentáveis, a níveis consideráveis para atender a demanda mundial.
5.2 Utilização de plantas de cobertura
As plantas de cobertura são uma estratégia de manejo interessante para garantir sustentabilidade ao setor sucroenergético. Entretanto, apesar do potencial que as plantas de cobertura apresentam para melhorar a qualidade química, física e biológica do solo e inúmeros serviços ecossistêmicos, essa prática ainda é pouco utilizada na cultura da cana-de-açúcar no Brasil.
As plantas de cobertura são culturas cultivadas principalmente para produzir grandes quantidades de biomassa, visando substituir o pousio durante o período de entressafra e fornecer cobertura do solo para cultura subsequente (FAGERIA et al., 2005; POEPLAU et al., 2015). Essa prática, além de manter o solo coberto durante o período chuvoso, a fim de reduzir os efeitos da erosão, também melhora as condições físicas e químicas do solo e proporcionam uma eficiente proteção da matéria orgânica (BERTONI; LOMBARDI NETO, 1990).
Historicamente as plantas de cobertura foram usadas apenas para atender essas necessidades específicas (ou seja, conservação do solo, fixação de nitrogênio e manejo de ervas daninhas e pragas), porém, atualmente as questões sobre o manejo das plantas de cobertura giram cada vez mais em torno da multifuncionalidade potencial que essas plantas apresentam, incluindo a mitigação de emissões de gases de efeito estufa, benefícios para a “saúde do solo”, alimentação para o gado, produção de biocombustíveis, economia agrícola e outros (BLANCO-CANQUI et al., 2015).
A integração de plantas de cobertura a sistemas de cultivo tem o potencial de melhorar uma ampla quantidade de serviços ecossistêmicos, os quais podem ser classificados
como serviços de provisionamento, apoio e regulação (POWER, 2010). Em um estudo realizado por Schipanski et al. (2014) em uma área de rotação de grãos de três anos, os autores observaram que o uso de plantas de cobertura aumentou quase todos os serviços de apoio e regulação, incluindo produção de biomassa, suprimento de nitrogênio, armazenamento de carbono no solo, retenção de nitrato, controle de erosão, supressão de ervas daninhas, colonização de fungos micorrízicos e conservação de insetos benéficos.
Em concordância, Blanco-Canqui et al. (2011) avaliaram os atributos físicos do solo influenciadas pelo uso de plantas de cobertura e sistema de plantio direto e, observaram que as plantas de cobertura reduziram os riscos de compactação excessiva do solo, melhoraram a estabilidade dos agregados, aumentaram a concentração de carbono orgânico e a infiltração de água no solo. Em adição, Thierfelder et al. (2013) verificaram melhoria de indicadores de qualidade do solo importantes com uso de plantas de cobertura, tais como infiltração, retenção e manutenção de água no solo, aumento do teor de carbono e nitrogênio no solo, macrofauna e supressão de pragas específicas da cultura subsequente.
Somado a isso, as culturas de cobertura são importantes vias relacionados a ganhos e perdas de carbono orgânico no solo. Por exemplo, uma importante via para a perda de carbono orgânico no solo é a erosão e, ao incluir plantas de cobertura em sistemas de cultivo há uma redução da erosão e consequentemente das perdas de carbono no solo (BLANCO-CANQUI et al., 2015). Por outro lado, o uso de plantas de cobertura colabora para o aumento da atividade microbiana, resultando em maior armazenamento de carbono e nitrogênio no solo (MBUTHIA et al., 2015).
Em um estudo desenvolvido por Rosolem et al. (2016) os autores observaram que a cultura do milheto aumentou o carbono orgânico total e particulado até 0,10 m de profundidade em comparação com o pousio, enquanto a crotalária afetou o carbono do solo em camadas mais superficiais (0,00-0,05 m). Em adição, Fujisaki et al. (2018), observaram que uma melhoria nas práticas de manejo em regiões de clima tropical pode levar a taxas de acúmulo de carbono no solo da ordem de 0,41 Mg C ha-1 ano-1.
Além de suas funções acima do solo, as culturas de cobertura cumprem importantes funções abaixo do solo (SCOPEL et al., 2013). Barthès et al. (2005) ressalta que os sistemas radiculares das plantas de cobertura contribuem para prevenir ou aliviar as pressões impostas pela compactação do solo, reestruturar o solo, extrair a umidade do solo de horizontes mais profundos abaixo da zona radicular das principais culturas agrícolas ou reciclar nutrientes como nitratos, potássio, cálcio e magnésio que são facilmente lixiviados para horizontes mais profundos do solo.
Outro papel importante das plantas de cobertura está relacionado a criação de bioporos por plantas de raízes profundas, os quais podem ser utilizados como caminhos de baixa resistência pelas raízes das culturas subsequentes (CHEN; WEIL, 2010). Logo, a introdução de espécies de plantas de cobertura com um sistema radicular profundo é desejável para minimizar os efeitos da compactação do solo (ISHAQ et al., 2001).
Gramíneas com sistemas radiculares extensos e vigorosos, como capim braquiária (Brachiaria spp.), milheto (Penninsetum americanum Leek), sorgo (Sorghum bicolor L. Moench) e capim pé-de-galinha (Eleusine coracana (L.) Gaertn.) são capazes de desenvolver raízes profundas no perfil do solo enquanto espécies com sistemas radicular pivotante ou axial, como o feijão guandu (Cajanus cajan (L.) Mill), a crotalária (Crotalaria juncea L.) e o nabo forrageiro (Raphanus sativus L. var. oleiferus Metzg.) podem penetrar nas camadas compactadas do solo (ROSOLEM et al., 2016).
Mudanças no solo induzidas por culturas de cobertura, tais como densidade máxima de compactação, teor de carbono e nitrogênio orgânico no solo, estabilidade de agregados, teor de água no solo e temperatura do solo refletem diretamente no aumento da produtividade da cultura principal (BLANCO-CANQUI et al., 2012). Contudo, as culturas de cobertura apresentam diferentes potenciais para alterar o rendimento das culturas subsequentes. Sob condições climáticas favoráveis, as plantas de cobertura de alta produção de biomassa e fixação de nitrogênio, como a crotalária, podem ter efeitos mais rápidos e maiores no aumento da produtividade e na melhoria das propriedades do solo do que plantas de cobertura com baixo produção de biomassa (BLANCO-CANQUI et al., 2012).
Dentre as características que devem ser levadas em consideração durante a escolha da melhor cultura a ser utilizada, destaca-se a produção de biomassa e a capacidade de acumular nitrogênio, pela fixação biológica ou pela absorção do nutriente no solo. Esses atributos, juntamente com a relação C:N dos resíduos, permitem estimar o potencial das plantas de cobertura em incrementar a oferta de nitrogênio para as culturas sucessoras (BOER et al., 2007). Como regra geral, resíduos vegetais com relação C:N entre 10 e 12:1 apresentam rápida mineralização, ao passo que os com relação entre 25 e 35:1 apresentam decomposição sem provocar a imobilização de nitrogênio no solo e, acima desses valores há imobilização (AMBROSANO et al., 2011).
Dentre as espécies mais estudadas e cultivadas como plantas de cobertura estão a crotalária e o milheto, que apresentam como característica a elevada produção de biomassa, contudo a quantidade pode variar de acordo com as condições edafoclimáticas locais (TORRES et al., 2005; CRUSCIOL; SORATTO, 2007; MESCHEDE et al., 2007; TORRES et al., 2008).
Uma outra cultura bastante utilizada, especialmente em áreas de cana-de-açúcar, é o amendoim. De acordo com Bolonhezi et al. (2005), a produção de amendoim no Brasil está concentrada no estado de São Paulo, que detém 87% da quantidade produzida e 77% da área cultivada, na maioria das vezes como cultura de sucessão na renovação de canaviais, basicamente praticada por agricultores arrendatários.
As leguminosas normalmente acumulam grandes quantidades de nitrogênio e potássio, que são essenciais para a cana-de-açúcar. No entanto, a quantidade de nutrientes disponível para a cultura subsequente depende dos processos internos de ciclagem de nutrientes no solo, como mineralização e imobilização, bem como se as plantas de cobertura são cultivadas exclusivamente para produção de biomassa ou se são comercializadas, como é o caso da soja e amendoim, que reduzem a contribuição de nutrientes para o sistema devido à remoção de nutrientes como resultado da colheita (OTTO et al., 2016).
Apesar do potencial que as plantas de cobertura apresentam para melhorar as condições do solo, deve-se considerar o fato que essa prática pode aumentar a complexidade das operações agrícolas (DARYANTO et al., 2018). Além disso, o cultivo de plantas de cobertura também pode levar a custos extras para as propriedades em três categorias diferentes: custos diretos, indiretos e de oportunidade (SNAPP et al., 2005). Os custos diretos incluem o custo de estabelecimento, semente, dessecação e colheita, mas em alguns casos eles substituem outros custos, como custos de plantio direto ou herbicida aplicados quando a área é mantida em pousio. Isso significa que apenas custos adicionais devem ser contabilizados. Os custos indiretos estão relacionados a impedir o estabelecimento da cultura principal pelo aquecimento lento do solo em consequência da camada de resíduos, pelo esgotamento da água ou pela liberação prolongada de nitrogênio orgânico. Por fim, deixar de produzir uma cultura que proporcione rendimento durante o tempo em que as plantas de cobertura são cultivadas na área é um custo de oportunidade (GABRIEL et al., 2013).
Nesse contexto, a introdução de uma cultura de cobertura apresenta potencial para melhorar diversas funções do solo, além de promover aumentos significativos na produção da cultura subsequente. Entretanto, deve-se considerar os custos envolvidos nessa operação visando dar preferência para plantas de cobertura que melhore significativamente a qualidade do solo e o rendimento da cultura em sucessão associado a custos relativamente baixos de implantação e manejo.
5.3 Sistemas de preparo do solo em cana-de-açúcar
Hoje, uma das necessidades do setor sucroenergético é estabelecer um sistema de manejo capaz de conciliar a conservação do solo a altos níveis de produção de cana-de-açúcar. Para o cultivo de grãos, técnicas como o plantio direto já estão bem estabelecido, contando com máquinas adaptadas, cultura de cobertura especifica para cada região e herbicidas seletivos. Entretanto, para a cana-de-açúcar ainda existe uma série de desafios relacionados aos elevados níveis de compactação do solo atingidos no final do ciclo da cultura (por se tratar de uma cultura semiperene) e a grande dimensão do sulco de plantio, que acabam inviabilizando a adoção desse sistema plenamente. Dessa forma, a adoção de sistemas de preparo do solo conservacionista ainda é um gargalo para produção brasileira de cana-de-açúcar, necessitando de pesquisas envolvendo novas opções de manejo do solo voltadas especificamente para as peculiaridades dessa cultura sejam encorajadas.
As operações de preparo do solo podem ser realizadas com distintas combinações de implementos agrícolas. O preparo convencional parte do princípio de ser executada com elevado revolvimento do solo (SILVA JUNIOR et al., 2013), cuja características é a inversão das camadas aráveis do solo por meio de arações e gradagens, ocasionando aumento da macroporosidade do solo em relação à microporosidade (MARTORANO et al., 2009; VOLK; COGO, 2009). Estes resultados, possivelmente, estão associados à mobilização estrutural da superfície do solo, devido à ação mecânica dos implementos (SILVA JUNIOR et al., 2013).
Esse procedimento elimina impedimentos físicos criando condições para o desenvolvimento das raízes de cana-de-açúcar (TAVARES et al., 2010; CARVALHO et al., 2011). Entretanto, diversos estudos apontam que o preparo intensivo do solo promove acelerada oxidação do carbono orgânico, liberando altas quantidades de CO2 para a atmosfera em um
curto período (SILVA-OLAYA et al., 2013; TEIXEIRA et al., 2013; FIGUEIREDO et al., 2015). Além disso, o preparo frequente do solo interrompe a formação de microagregados e, consequentemente, o carbono fica desprotegido contra a decomposição microbiana (OGLE et al., 2012).
Em estudo avaliando o impacto do sistema convencional de preparo em regiões tropicais, Sá et al. (2015), observaram que o estoque de carbono é drasticamente reduzido pela conversão e uso do sistema de preparo convencional continuamente, no qual é baseada em elevado revolvimento do solo, levando a um esgotamento de 0,58 e 0,67 Mg C ha-1 ano-1 na
profundidade de 0,00-0,20 m nas regiões de Ponta Grossa, Paraná e Lucas do Rio Verde, Mato Grosso, respectivamente.
De acordo com Souza et al. (2005), o preparo do solo inadequado pulveriza a superfície dos solos, tornando mais susceptíveis ao processo de erosão propiciando a formação de impedimentos físicos logo abaixo das camadas movimentadas pelos equipamentos. Em trabalho analisando os atributos químicos de um cambissolo cultivado com cana-de-açúcar, Canellas et al. (2003), observaram que a movimentação e o preparo do solo para o cultivo (aração, gradagem e abertura de sulcos) favorecem as reações de oxidação, por meio do aumento da pressão parcial de oxigênio e da exposição de novas superfícies para o ataque microbiano. O balanço líquido desse efeito é a diminuição dos teores de matéria orgânica nos sistemas com preparo de solo mais intensivo.
Em complemento, Marasca et al. (2013), avaliando os atributos físicos de um Nitossolo Vermelho em função dos sistemas de uso e manejo, observaram que o preparo convencional teve efeito prejudicial na estrutura do solo, causando aumento na densidade do solo, argila dispersa em água e resistência do solo à penetração, além de diminuição no diâmetro médio ponderado dos agregados, porosidade total e macroporosidade do solo.
Em contraste, a agricultura conservacionista é um conceito para a produção de culturas agrícolas que economiza recursos e busca obter lucros aceitáveis, juntamente com altos e sustentados níveis de produção, ao mesmo tempo em que conserva o meio ambiente (GONZALEZ-SANCHEZ et al., 2015). O sistema plantio direto apresenta esses princípios e compreende aproximadamente 25 milhões de hectares com produção de grãos no Brasil, porém, é pouco utilizado na cultura da cana-de-açúcar (CURY et al., 2014).
Enquanto o preparo convencional parte do princípio de ser executado com elevado revolvimento do solo, o plantio direto está relacionado à ausência a de qualquer revolvimento prévio do solo, além da perturbação muito superficial (< 0,05 m) ocasionado pelo sulco de plantio, permanecendo ao fim da operação de 30-100% da superfície coberta com resíduos culturais (SOANE et al., 2012; SILVA JUNIOR et al., 2013). O objetivo é favorecer uma melhor coesão entre os agregados do solo, diminuir a mineralização da matéria orgânica do solo e permitir o desenvolvimento da biota do solo (SCOPEL et al., 2013).
Entretanto, devido a cana-de-açúcar se tratar de uma cultura semiperene, onde ocorre o cultivo de sucessivos ciclos (socas) na mesmo área de produção (monocultura), o qual está associado ao tráfego de máquinas pesadas durante a colheita da cana-de-açúcar, são atingidos elevados níveis de compactação do solo no momento da renovação do canavial que restringem a adoção do plantio direto em áreas de cana-de-açúcar (ARRUDA et al., 2016; BORDONAL et al., 2018). Em concordância, Arruda et al. (2016), avaliaram a influência do preparo do solo na densidade e porosidade do solo e, verificaram que independentemente do
sistema de preparo do solo, há uma redução no volume total de poros e macroporosidade do solo durante o ciclo de produção da cana soca, além de aumento da densidade do solo na camada de 0,40-0,60 m, sendo indícios de compactação.
Outro fator que dificulta a adoção do plantio direto em lavouras de cana-de-açúcar está relacionado ao tamanho do sulco de plantio, o qual perturba aproximadamente 30% da superfície do solo (0,00-0,30 m) dificultando a adoção do princípio relacionado a ausência de revolvimento do solo em sua totalidade (BORDONAL et al., 2018). Dessa forma, pesquisas visando desenvolver novos sistemas de manejo voltados para o cultivo de cana-de-açúcar devem ser encorajadas (ARRUDA et al., 2016).
O cultivo mínimo é definido como uma prática agronômica onde a movimentação do solo é mínima, seja em profundidade e/ou do número de operações de preparo (WAUTERS et al., 2010). Por ser considerada uma prática de conservação do solo, deve deixar pelo menos 30% da área coberta por resíduos vegetais. Essa prática de manejo possui um grau de conservação do solo menor que o plantio direto (GONZALEZ-SANCHEZ et al., 2015) entretanto, é operacionalmente possível de ser adotado em lavouras de cana-de-açúcar brasileiras. Sendo o aumento de macrofauna e a redução da degradação estrutural do solo o maior benefício na adoção do cultivo mínimo (BRAUNACK; McGARRY, 2006).
Tanto em regiões tropicais como em regiões temperadas, a aplicação dos princípios da agricultura conservacionistas pode gerar um grande número de possibilidades em relação aos sistemas de cultivo, dependendo da cultura principal, culturas de cobertura, nível de insumos externos e opções de manejo aplicadas pelos agricultores. Em algumas situações, todos os princípios da agricultura conservacionista podem ser aplicados. Entretanto, em outras situações, os princípios não são aplicados de forma completa ou sistemática, o que tende a abrir o leque de possíveis opções baseadas na agricultura conservacionista (SCOPEL et al., 2013).
Logo, há necessidade de pesquisas adicionais para avaliar o impacto de diferentes configurações de plantas de cobertura e sistemas de preparo para cultura da cana-de-açúcar visando encontrar o sistema de manejo mais sustentável e operacionalmente aplicável, que consigam reverter o processo de degradação do solo simultaneamente à manutenção da produtividade do setor sucroalcooleiro.
5.4 Qualidade do solo
O índice de qualidade do solo é de fundamental importância para avaliar a eficiência de diferentes sistemas de manejo empregados durante o cultivo intensivo da cana-de-açúcar, uma vez que é possível integrar em um único índice vários indicadores de qualidade do solo.
Essa ferramenta pode facilitar o processo de tomada de decisão em relação se uma determinada prática de manejo está degradando ou melhorando a qualidade do solo, contribuindo assim para mitigar a degradação.
O termo qualidade do solo pode ser definido como "a capacidade de um tipo específico do solo para funcionar, dentro de limites do ecossistema natural ou manejado, para sustentar a produtividade de plantas e animais, manter ou melhorar a qualidade da água e do ar e apoiar saúde humana e habitação" (KARLEN et al., 1997). Por outro lado, a intensificação agrícola, a silvicultura, a pecuária e urbanização, estão cada vez mais impactando a prestação de serviços de suporte à vida, como produção de alimentos, água limpa para beber, mitigação de inundações e habitat para plantas e animais (DROBNIK et al., 2018).
A degradação do solo implica no declínio da qualidade do solo, com a consequente redução das funções e serviços do ecossistema (LAL, 2015). Diversos fatores empregados no cultivo de cana-de-açúcar no Brasil, contribuem para degradação do solo. Por exemplo, a produção de cana-de-açúcar requer mecanização intensiva, resultando em mudanças nos atributos físicos do solo e nos processos relacionados (CHERUBIN et al., 2016a). Além disso, a cana-de-açúcar é geralmente replantada a cada seis anos, sendo utilizado predominantemente o plantio convencional, onde toda a área de replantio é perturbada usando a aração, gradagem e, comumente, a subsolagem, contribuindo para degradação da estrutura do solo e estoque de carbono (OLIVEIRA et al., 2017).
Em um estudo sobre mudanças na qualidade física do solo em função da mudança de uso da terra, Cherubin et al. (2016a), observaram que a conversão de pastagem para cana-de-açúcar induziu uma leve degradação da qualidade física do solo e resultou em solos funcionando entre 56 e 68% de sua capacidade. Em adição, Cherubin et al. (2015), apontam que essa mudança de uso da terra também promove uma recuperação parcial da qualidade química do solo numa escala de tempo relativamente curta (<5 anos), devido às sucessivas aplicações de corretivos e fertilizantes.
De acordo com Lal (2015), para restaurar a qualidade do solo de áreas degradadas, são consideradas três estratégias básicas: i) minimizar as perdas de solo, ii) criar um balanço positivo de carbono no solo, enquanto aumenta a biodiversidade e, iii) promover a conservação da água e ciclagem de nutrientes. Práticas de manejo como, plantio direto ou cultivo mínimo, o uso de plantas de cobertura e o uso adequado de fertilizantes são algumas das práticas da agricultura conservacionista que promovem a melhora da qualidade do solo e da água e produtividade das culturas (HOBBS et al., 2008).
A qualidade do solo não pode ser medida diretamente, mas é inferida por meio da medição dos atributos físicos, químicos e biológicos do solo (OBADE; LAL, 2016a). Entretanto, devido à natureza complexa do solo e ao elevado número de fatores extrínsecos, como material de origem, clima, topografia e hidrologia, que podem influenciar nas propriedades do solo, tornam impossível estabelecer valores universais, pelo menos não em termos absolutos para a qualidade do solo. Portanto, a avaliação da qualidade do solo precisa incluir valores de referência para permitir a identificação dos efeitos de manejo (BÜNEMANN et al., 2018).
O índice de qualidade do solo pode ser calculado envolvendo três etapas, conforme descrito por Andrews et al. (2004): seleção de indicadores de qualidade do solo, transformação dos valores dos indicadores e integração dos indicadores em um único índice de qualidade do solo. Vários requisitos são considerados para que um atributo seja considerado representativo da qualidade do solo, a mais comum é que o indicador esteja relacionado a um fator de degradação do solo, função ou serviço ecossistêmico. Além disso, requisitos de ordem prática são levados em consideração como, a facilidade de amostragem e determinação, a confiabilidade e custo. É importante também que o indicador de qualidade seja sensível a mudanças no manejo (BÜNEMANN et al., 2018).
A seleção de indicadores pode ajudar os agricultores no processo de decisão sobre qual sistema de uso e manejo do solo é o mais sustentável, entretanto, não há necessidade de analisar todos os indicadores de qualidade do solo, o que é oneroso e trabalhoso (TESFAHUNEGN, 2016). Diversos métodos de seleção de indicadores podem ser utilizados, como por exemplo, análise de variância, análise de componentes principais, análise de correlação entre as variáveis, regressão e árvores de decisão (RINOT et al., 2019). A análise de componentes principais, em especial, reduz a dimensionalidade de um grande volume de dados e facilita a seleção de indicadores agrupando categoricamente os atributos do solo em componentes principais (VASU et al., 2016).
Para transformação dos valores dos indicadores pode-se usar valores de referência de um solo nativo, que pode não ser adequado para a produção agrícola, ou de um solo com produção máxima, contudo é importante que a referência não seja ótima em todos os atributos. Uma outra maneira para transformação dos valores dos indicadores, considerada mais avançada é o estabelecimento de funções de pontuação não lineares, que normalmente têm as formas i) mais é melhor, ii) faixa ótima, iii) menos é melhor, ou iv) intervalo indesejável. Por fim, normalmente, as pontuações para os diferentes indicadores são somadas, com algumas ponderações aplicadas (BÜNEMANN et al., 2018).
A oportunidade de integrar as informações obtidas mediante vários indicadores em um único índice pode facilitar o processo de tomada de decisões relacionadas ao manejo do solo (HUSSAIN et al., 1999). Assim, avaliar o impacto do uso de plantas de cobertura e sistemas de preparo com menor grau de revolvimento em relação ao sistema convencional em áreas de cana-de-açúcar é fundamental para caracterizar o potencial dessas práticas de manejo em mitigar a degradação do solo inerente a áreas de cana-de-açúcar brasileiras.
6. METODOLOGIA GERAL
6.1 Descrição da área de estudo e histórico da área
O estudo foi conduzido em condições de campo em uma área experimental, localizada na usina Santa Fé, município de Ibitinga, São Paulo, Brasil, posicionado aos 21º45’ de latitude sul e 48º49’ de longitude oeste e com altitude média de 455 metros acima do nível do mar (Figura 1). O clima da região é classificado como tropical com estação seca (Aw) segundo a classificação climática de Köppen (ALVARES et al., 2014), com inverno frio e seco e verão quente e chuvoso. Na região ocorrem médias anuais de precipitação e temperatura relativa do ar na ordem de 1.260 mm, 22,9 ºC, respectivamente (Figura 2) (CEPAGRI, 2018).
Figura 1. Localização da área experimental no município de Ibitinga, em relação ao estado de São Paulo e ao Brasil.
Figura 2. Temperatura mínima, máxima, média e precipitação mensal do município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. Fonte: Série histórica mensal dos municípios paulista (1961-1991), Cepagri (2018). 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Precipitação (mm) Temperatura (
ƒ C)
Meses do ano
O solo foi classificado como um Ultisols Udults (SOIL SURVEY STAFF, 2014) e como Argissolo Vermelho distrófico típico segundo o Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (SANTOS et al., 2018) com horizonte superficial A moderado e horizonte subsuperficial B textural e relevo suave ondulado. A caracterização granulométrica da área experimental demonstrou que as camadas superficiais de 0,00-0,05, 0,05-0,10 e 0,10-0,20 m são do tipo franco arenosa e, as camadas 0,20-0,30 e 0,30-0,70 m são classificadas como franco-argilo-arenosa, segundo a classificação estabelecida pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA, 2017) (Figura 3).
Figura 3. Caracterização granulométrica da área experimental, localizado no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil.
A área de estudo foi cultivada com pastagem do gênero Brachiaria sp., por aproximadamente 11 anos e, em 2014, ocorreu a remoção da pastagem para expansão das áreas cultivadas com cana-de-açúcar. Nessa etapa foi realizada uma caracterização dos atributos físicos e químicos do solo da área ocupada por pastagem (Tabelas 1 e 2). Além disso, no momento do manejo da pastagem foi realizada a aplicação de 2,0 Mg ha-1 de calcário dolomítico (85% de PRNT) e, realizada a incorporação com grade aradora até 0,40 m de profundidade, seguida de grade niveladora a 0,20 m de profundidade.
Tabela 1. Caracterização dos atributos físicos do solo da área de pastagem antes da conversão em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil.
Camadas Ds Macro Micro PT DMP RP
(m) kg dm-3 m3 m-3 mm MPa 0,00-0,10 1,55 ± 0,05 0,11±0,07 0,30±0,05 0,41±0,02 1,94±0,19 1,01±0,26 0,10,0,20 1,61±0,02 0,14±0,05 0,27±0,02 0,41±0,04 1,83±0,28 1,59±0,59 0,20,0,30 1,66±0,08 0,11±0,04 0,27±0,05 0,38±0,01 1,28±0,23 1,60±0,36 0,30-0,60 1,51±0,01 0,10±0,01 0,33±0,01 0,43±0,01 0,67±0,06 1,79±0,63 0,60-1,00 1,68±0,01 0,05±0,01 0,34±0,02 0,39±0,02 0,54±0,07 1,33±0,28 Ds = densidade do solo; Macro = macroporosidade; Micro = microporosidade; PT = porosidade total; DMP = diâmetro médio ponderado; RP = resistência do solo à penetração.
Tabela 2. Caracterização dos atributos químicos e estoque de carbono do solo da área de pastagem antes da conversão em lavoura de cana-de-açúcar, em um Argissolo Vermelho distrófico típico no município de Ibitinga, São Paulo, Brasil.
Camadas pH P Ca 2+ Mg2+ K+ Est. C (m) mg dm -3 cmol c dm-3 Mg ha-1 0,00-0,10 4,67±0,06 3,67±0,58 0,97±0,15 0,53±0,12 0,25±0,20 13,63±1,01 0,10-0,20 4,80±0,01 2,00±0,01 1,00±0,10 0,47±0,06 0,08±0,04 9,77±0,82 0,20-0,30 4,93±0,31 2,33±0,58 1,03±0,21 0,50±0,10 0,04±0,01 8,40±0,93 0,30-0,60 5,13±0,06 2,33±1,15 1,33±0,15 0,60±0,10 0,03±0,02 22,35±1,95 0,60-1,00 5,30±0,10 4,00±1,00 1,37±0,31 0,57±0,06 0,04±0,01 22,23±1,79 pH = potencial hidrogeniônico (CaCl2); P = teor de fósforo disponível; Ca2+ = teor de cálcio trocável; Mg2+ = teor
de magnésio trocável; K+ = teor de potássio; Est. C = estoque de carbono do solo.
6.2 Instalação e condução do experimento
O experimento teve início em dezembro de 2014 com a eliminação da pastagem e plantio das culturas de cobertura (Figura 4). O plantio da crotalária e do sorgo ocorreu em linhas por meio de uma semeadora de plantio direto de nove linhas e, um trator Valtra, utilizando 25 e 10 kg ha-1 de sementes, respectivamente. O plantio do amendoim foi realizado por meio de uma semeadora de quatro linhas e um trator Valtra, utilizando 110 kg ha-1 de sementes. O plantio do milheto ocorreu manualmente em linhas por meio de um sulcador manual devido ao reduzido tamanho da semente, utilizando 18 kg ha-1 de sementes.
(A) (B)
(C)
Figura 4. Plantio das culturas de cobertura na área experimental, localizada no município de Ibitinga, estado de São Paulo, Brasil. A = Plantio da Crotalaria juncea e sorgo biomassa; B = Plantio do amendoim; C = Plantio do milheto.
Ao atingirem o ponto de máximo florescimento (Figura 5), as plantas de cobertura foram amostradas para análise da biomassa seca (BS) em uma área de dois metros quadrados por parcela, cortando-se as plantas rente ao solo. As amostras foram secas a 65 ºC por 72 horas, pesadas e os resultados expressos em Mg ha-1. A produção de massa seca, relação C:N, acúmulo de carbono, nitrogênio e macronutrientes nos resíduos vegetais das plantas de cobertura estão apresentados na Tabela 3.
Tabela 3. Produção de massa seca, relação C:N, acúmulo de carbono, nitrogênio e macronutrientes nos resíduos vegetais das plantas de cobertura.
Planta cobertura MS C:N C N P K Ca Mg Mg ha-1 - Mg ha-1 kg ha-1 ---kg ha-1 ---Crotalária 11±3,80 13±4,01 5±0,04 413±106 31±4,84 259±20 109±16 34±6 Amendoim 5±1,21 15±2,36 2±0,07 140±17 9±2,33 114±17 62±6 31±5 Sorgo 21±3,01 28±3,72 10±0,10 350±51 40±2,01 319±36 95±9 84±12 Milheto 10±3,29 48±6,22 4,5±0,05 97±12 21±2,88 131±14 30±7 22±1,0 MS = massa seca; C = carbono; N = nitrogênio; P = fósforo; K = potássio; Ca = cálcio; Mg = magnésio.
