UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
Programa de Pós-Graduação em Agronomia
Área de Concentração: Solos
Tese
Desenvolvimento radicular de gramíneas perenes e sua
eficiência na recuperação de atributos físicos de um solo
construído compactado em área de mineração de carvão
Lizete Stumpf
LIZETE STUMPF
DESENVOLVIMENTO RADICULAR DE GRAMÍNEAS PERENES E
SUA EFICIÊNCIA NA RECUPERAÇÃO DE ATRIBUTOS FÍSICOS DE
UM SOLO CONSTRUÍDO COMPACTADO EM ÁREA DE MINERAÇÃO
DE CARVÃO
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Agronomia da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Ciências (área de concentração: Solos).
Orientador: Professor Dr. Eloy Antonio Pauletto
Co-orientador: Professora Dra. Flavia Fontana Fernandes
S929d Stumpf, Lizete
StuDesenvolvimento radicular de gramíneas perenes e sua eficiência na recuperação de atributos físicos de um solo construído compactado em área de mineração de carvão / Lizete Stumpf ; Eloy Antonio Pauletto, orientador ; Flavia Fontana Fernandes, coorientadora. — Pelotas, 2015. Stu122 f. : il.
StuTese (Doutorado) — Programa de Pós-Graduação em Agronomia, Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel, Universidade Federal de Pelotas, 2015.
Stu1. Solo construído. 2. Monólitos de solo. 3. Raízes. 4. Compactação. I. Pauletto, Eloy Antonio, orient. II. Fernandes, Flavia Fontana, coorient. III. Título.
CDD : 631.4
Banca examinadora:
Prof. Dr. Eloy Antonio Pauletto (Orientador) Universidade Federal de Pelotas/RS
Prof. Dra. Maria de Fátima Guimarães
Universidade Estadual de Londrina/PR Pesquisador Dr. Adilson Luís Bamberg Embrapa Clima Temperado/RS
Prof. Dr. Luiz Fernando Spinelli Pinto Universidade Federal de Pelotas/RS
AGRADECIMENTOS
À Universidade Federal de Pelotas, ao Programa de Pós-Graduação em Agronomia e ao Departamento de Solos da Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel, pela oportunidade de realização do curso.
Á Companhia Riograndense de Mineração (CRM) e ao CNPQ - Rede do Carvão pelo o apoio técnico, logístico e financeiro.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES - pela concessão da bolsa de estudos.
Ao professor Eloy Antonio Pauletto pela orientação, pela amizade, pelo companheirismo e pela paciência ao longo dos 4 anos de formação.
Aos professores Luiz Fernando Spinelli Pinto e Flavia Fontana Fernandes pela contribuição nos trabalhos desenvolvidos.
Aos estagiários Tiago Stumpf da Silva, Jordano Vaz Ambus, Gabriel Garcia, Leonir Dutra Junior e Tiago Scheunemann por toda ajuda prestada durante o doutorado.
À funcionária Dona Ana pela amizade carinho e cuidado. Aos colegas do Departamento de Solos pelo convívio.
À Teacher Márcia Morales Klee pela paciência em me ensinar a língua inglesa.
Às amigas Patrícia Bianca Dupont, Marta Sória e Glaucia Islabão pela amizade.
À colega de doutorado e amiga Marília Alves Brito Pinto pela alegria do convívio diário, pela cumplicidade e troca de ideias sobre o cotidiano.
Ao Jacir pelo companheirismo e paciência. À família pelo apoio incondicional.
Resumo
STUMPF, Lizete. Desenvolvimento radicular de gramíneas perenes e sua eficiência na recuperação de atributos físicos de um solo construído
compactado em área de mineração de carvão. 2015. 122f. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Agronomia/Solos. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
O desenvolvimento do solo a partir da recomposição de áreas mineradas fornece oportunidade para expandir o conhecimento existente sobre formação e estabilização de agregados, acumulação e distribuição da matéria orgânica e da biomassa microbiana, pois devido à magnitude da perturbação do ecossistema, cria-se um cenário de “tempo zero. Trabalhos sobre recuperação de áreas degradadas têm atribuído ao sistema radicular das plantas muitas das melhorias nos atributos físicos, químicos e biológicos do solo, entretanto poucos estudos são realizados para comprovar que tal comportamento é verdadeiro. Portanto, o objetivo geral do presente trabalho é analisar o desenvolvimento radicular de gramíneas perenes em solos construídos após a mineração de carvão e relacionar seus resultados com os atributos físicos e químicos do solo após 103 meses de implantação das espécies vegetais. O solo foi construído no início de 2003 e o experimento instalado em novembro/dezembro de 2003. As espécies vegetais avaliadas foram a Hemarthria altissima, o Paspalum notatum cv. Pensacola, o Cynodon dactylon cv Tifton e a Urochloa brizantha. No intuito de avaliar as mudanças decorrentes da construção do solo e o tempo aproximado de recuperação dos atributos do novo perfil formado, foi utilizado o solo natural sob vegetação nativa como referência. A amostragem de raízes foi realizada com a retirada de 16 monólitos de solo até a profundidade de 0,30m e a amostragem de solo foi feita através da coleta de 48 amostras com estrutura não preservada e 96 amostras com estrutura preservada até a profundidade de 0,30m. Após 103 meses de revegetação, as raízes das gramíneas promoveram a recuperação das condições físicas na camada de 0,00-0,10m através da formação de novos agregados, da diminuição da densidade, da resistência do solo à penetração e do aumento da macroporosidade do solo. A restrição do desenvolvimento radicular e o achatamento das raízes de todas as espécies em profundidade refletem as condições físicas inadequadas abaixo da camada de 0,00-0,10m, devido à presença de agregados formados originalmente por compressão, e consequentemente alta densidade e resistência do solo à penetração e baixa macroporosidade. Abaixo dos 0,20m de profundidade, mesmo onde ocorre a presença de estéril com desenvolvimento do processo de sulfurização ativa, se observa a presença de uma pequena proporção de raízes. Independente da camada avaliada, todas as espécies vegetais apresentaram maior concentração de raízes de diâmetro 0,25-0,49mm, consideradas muito finas. Entretanto, nas camadas abaixo de 0,00-0,10m, a Urochloa brizantha aumentou a emissão de raízes com diâmetro de 0,50-0,99mm, enquanto que a Hemarthria altissima, o Paspalum notatum e o Cynodon dactylon aumentaram ainda mais a emissão de raízes no
diâmetro de 0,25-0,49mm. Entre as espécies, a Urochloa brizantha se destaca pela sua maior densidade, volume, área e comprimento radicular, apresentando assim um maior potencial em recuperar os atributos físicos de áreas degradadas, principalmente abaixo das camadas de 0,00-0,10m. A indicação desta e das demais espécies na recuperação de solos construídos após mineração de carvão deve levar em conta a espessura da camada de solo reposta sobre os estéreis, pois as raízes destas espécies apresentam potencial de desenvolvimento em profundidade, podendo acelerar o processo de sulfurização. Nos primeiros 0,20m do solo construído, os atributos químicos mostram-se adequados ao desenvolvimento radicular. O baixo teor de carbono nas frações leve livre e leve oclusa até a profundidade de 0,20m estão relacionados à degradação da estrutura do solo, que dificulta o desenvolvimento das raízes em profundidade, assim como a presença de organismos do solo responsáveis pela transformação dos resíduos radiculares em matéria orgânica. A recuperação dos atributos físicos do solo construído, principalmente abaixo da camada de 0,00-0,10m, mostra ser lenta quando comparada com os atributos de um solo natural, possivelmente devido ao baixo aporte inicial de carbono orgânico no sistema.
Abstract
STUMPF, Lizete. Root development of perennial grasses and their efficiency in the recovery of physical attributes of a compacted constructed soil in coal mining area. 2015. 122p. Thesis (Doctorate) - Post-Graduate Program in
Agronomy/Soils. Federal University of Pelotas, Pelotas.
The constructed soil development in mined areas provides an opportunity to expand the existing knowledge on the formation and stabilization of aggregates, as well as on the accumulation and distribution of organic matter and microbial biomass, since due to the magnitude of ecosystem disturbance, it creates a scenario of "zero time". Scientific research on the recovery of degraded areas has attributed to the root system of plants many of the improvements in physical, chemical and biological soil attributes; however, few studies have been done to prove that such behavior is real. Therefore, the overall objective of this study is to analyze the root development of perennial grasses in minesoils constructed after coal mining and relate the results of the physical and chemical soil attributes after 103 months of establishment of plant species. The soil was constructed in early 2003 and the treatments started in November/December 2003. The plants species evaluated were Hemarthria altissima, Paspalum notatum cv. Pensacola, Cynodon dactylon cv Tifton, and Urochloa brizantha. In order to evaluate changes due to soil construction and the estimated recovery time of the attributes of the new formed profile, a natural soil under native vegetation was used as reference. Sixteen (4x4) soil monoliths to a depth of 0.30m were taken for root sampling, 96 undisturbed samples and 48 disturbed samples were taken to a depth of 0.30m for determining soil attributes. After 103 months of revegetation, the roots of grasses are promoting the recovery of physical conditions along the 0.00 to 0.10m soil layer, through the formation of new aggregates, the decrease in soil bulk density and soil penetration resistance and increased soil macroporosity. The decrease in root development and the flattening of the roots of all species reflect the inadequate soil physical below the 0.00 to 0.10m layer due to the presence of aggregates formed originally by compression, high bulk density and soil resistance to penetration and low macroporosity. Below 0.20m depth, even in the presence of spoils with active sulfurization process, it is observed the presence of a small proportion of roots. Regardless of the layer evaluated, all the plant species showed higher concentration of roots with diameter from 0.25 to 0.49mm, considered very fine. However, in the layers beneath 0.00-0.10m the Urochloa brizantha increased emission of roots with diameter from 0.50 to 0.99mm, while Hemarthria altissima, the Paspalum notatum, Cynodon dactylon increased even more the roots with diameter between 0.25 to 0.49mm. Among the species, Urochloa brizantha stands out for its higher density, volume, area and root length, thus presenting a greater potential to recover the physical attributes of constructed soils from degraded areas by coal mining, especially those below the surface layer of 0.00 to 0.10m. The indication of this and other species for the recovery of soils
constructed after coal mining should take into account the thickness of the topsoil layer placed over the overburden, because the roots of these species have potential to deepen their root system and thus accelerate the sulfurization process. In the first 0.20m layer of the constructed soil the chemical attributes are suitable for root development. Low carbon content in free light and occluded light fractions from 0.00 to 0.20m are related to degradation of soil structure, which hinders root development in depth, as well as the presence of soil organisms responsible for transforming the root residues in organic matter. A recovery of physical attributes of constructed soil, mainly below of 0,00-0.10-0.20m layer, proves to be slow compared to the attributes of a natural soil, possibly due to the low initial contribution of organic carbon in the system
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Processo de mineração e recomposição topográfica da mina de Candiota/RS ... 22 Figura 2: Representação do desenvolvimento primário de uma raiz ... 34 Figura 3: Aquisição da imagem e sua segmentação por limiarização ... 37 Figura 4: Transformada da distância, esqueletonização e esqueletos coloridos conforme os diâmetros das raízes ... 37 Figura 5: Histograma de comprimentos das raízes segundo as classes de diâmetros ... 38 Figura 6: Escarificação e calagem do solo construído ... 40 Figura 7: Gramíneas perenes de verão utilizadas na área experimental de Candiota-RS ... 40 Figura 8: Retirada do monólito de solo e aparos para o volume estipulado; saturação do monólito por 24h em solução de NaOH 0,2 M; lavagem com água; divisão das raízes por camadas; digitalização das raízes para processamento de imagens pelo SAFIRA ... 41 Figura 9: Avaliação qualitativa das raízes aos 103 meses de revegetação, após a lavagem dos monólitos de solo retirados até a profundidade de 0,30m e a espessura da camada de solo nos quatro tratamentos com gramíneas ... 50 Figura 10: Amostras de raízes com diferentes diâmetros, coloração e formas apresentadas por quatro gramíneas nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído ... 58 Figura 11: Densidade radicular de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído, após 103 meses de condução do experimento ... 61 Figura 12: Volume radicular de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído, após 103 meses de condução do experimento ... 62
Figura 13: Comprimento radicular de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído, após 103 meses de condução do experimento. ... 63 Figura 14: Área radicular de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído, após 103 meses de condução do experimento ... 64 Figura 15: Diâmetro médio radicular de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído, após 103 meses de condução do experimento ... 65 Figura 16: Valores médios de pH em água de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento.. ... 66 Figura 17: Monólito de solo com presença de material estéril... 66 Figura 18: Teores médios de cálcio de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento. ... 68 Figura 19: Teores médios de magnésio de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 68 Figura 20: Teores médios de potássio de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 69 Figura 21: Teores médios de H+Al de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 70 Figura 22: Teores médios de CTC efetiva de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 71
Figura 23: Teores médios de CTCpH7,0 de um solo construído em área de mineração
de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10 m, 0,10-0,20 m e 0,20-0,30 m, após 103 meses de condução do experimento ... 71 Figura 25: Teores médios de saturação por alumínio de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de diferentes gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 72 Figura 27: Porcentagem de macroagregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento. ... 76 Figura 28: Porcentagem de microagregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento. ... 76 Figura 29: Monólito de solo retirado na profundidade de 0,30m, exemplificando as diferenças de agregação entre camadas e a formação de agregados por compressão abaixo da camada de 0,00-0,10m ... 77 Figura 31: Hierarquia de agregação dos solos construídos compactados em processo de recuperação ... 80 Figura 32: Diâmetro médio ponderado de agregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 82 Figura 33: Expansão radicular entre as fissuras do solo compactado abaixo dos 0,10m do solo construído ... 82 Figura 34: Resistência tênsil de agregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento. ... 83
Figura 35: Carbono da fração leve livre de agregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento. ... 85 Figura 36: Carbono da Fração Leve Livre de agregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m. ... 86 Figura 37: Carbono da fração leve oclusa de agregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento. ... 87 Figura 38: Carbono da Fração Leve Oclusa de agregados de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m ... 88 Figura 39: Densidade de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 90 Figura 40: Porosidade total de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 91 Figura 41: Macroporosidade de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 91 Figura 43: Resistência à penetração de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m, após 103 meses de condução do experimento ... 93 Figura 44: Diferenças dos valores de macroagregação dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 96 Figura 45: Diferenças dos valores de microagregação dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 96
Figura 46: Diferenças dos valores de diâmetro médio ponderado de agregados dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 97 Figura 47: Diferenças dos valores de resistência tênsil dos agregados dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 97 Figura 48: Diferenças dos valores de densidade do solo dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 98 Figura 49: Diferenças dos valores de porosidade total dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 99 Figura 50: Diferenças dos valores de macroporosidade dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 99 Figura 51: Diferenças dos valores de microporosidade dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa) ... 100 Figura 52: Diferenças dos valores de carbono orgânico dos tratamentos com gramíneas em relação ao solo referência (solo natural sob vegetação nativa). ... 101
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Valores médios de areia, silte e argila nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m de um solo construído em área de mineração de carvão, submetido ao cultivo de quatro gramíneas, após 103 meses de condução do experimento. ... 39 Tabela 2: Espessura da camada de solo presente nos diferentes blocos e tratamentos do solo construído, até a profundidade de 0,30 m...41 Tabela 3: Distribuição dos valores de densidade radicular (DR), volume radicular (VR), comprimento radicular (CR) e área radicular (AR), nos quatro tratamentos, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído. ... 54 Tabela 4: Distribuição das raízes da Hemarthria altissima, do Paspalum notatum cv. Pensacola, do Cynodon dactylon cv. Tifton e da Urochloa brizantha, em classes de diâmetros, nas camadas de 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído... 56 Tabela 5: Observações visuais da presença de estéril nos diferentes blocos e tratamentos do solo construído, até a profundidade de 0,30m... 67 Tabela 6: Coeficientes de correlação de Pearson entre as variáveis de raiz (DR, VR, CR, AR e DMR) e as variáveis químicas do solo construído (pH, Ca, Mg, K, H+Al, V, m e CO) ... 74 Tabela 7: Coeficientes de correlação de Pearson entre as variáveis de raiz (DR, VR, CR, AR e DMR) e os atributos físicos do solo construído (Macroagregação, Microagregação, DMP, RT) na profundidade de 0,20 m. ... 89 Tabela 8: Coeficientes de correlação de Pearson entre variáveis de raiz (DR, VR, CR, AR e DMR) e os atributos físicos do solo construído (Ds, PT, Ma, Mi e RP) na profundidade de 0,20m. ... 94
SUMÁRIO
1. Introdução ... 17
2. Revisão de literatura ... 20
2.1. Mineração de carvão e recomposição topográfica de áreas mineradas ... 20
2.2. Recuperação de áreas mineradas ... 24
2.3. Recuperação de áreas mineradas em Candiota ... 27
2.4. Importância das plantas na recuperação de áreas degradadas ... 29
2.5. Arquitetura do sistema radicular ... 33
2.6. Métodos de avaliação do sistema radicular ... 35
2.7. Software SAFIRA ... 36
3. Material e Métodos ... 39
3.1. Área de estudo ... 39
3.2. Avaliações radiculares ... 40
3.3. Amostragem do solo... 42
3.4. Análises químicas e físicas ... 43
3.4.1. Determinação de pH do solo, cálcio, magnésio, potássio, sódio, acidez potencial e carbono orgânico do solo ... 43
3.4.2. Determinação da distribuição de agregados estáveis em água em diferentes classes de tamanho e do diâmetro médio de agregados ... 44
3.4.3. Determinação da resistência tênsil de agregados ... 45
3.4.4. Determinação do fracionamento densimétrico da matéria orgânica dos agregados ... 46
3.4.5. Determinação da densidade do solo, porosidade total, macroporosidade e microporosidade do solo ... 47
3.4.6. Determinação da resistência à penetração no solo ... 47
3.5. Análise estatística dos dados ... 47
4. Resultados e discussão... 49
4.1. Avaliações radiculares ... 49
4.2. Atributos químicos do solo construído ... 65
4.3. Atributos físicos do solo construído ... 75
4.3.1. Distribuição dos agregados estáveis em água, diâmetro médio ponderado de agregados e resistência tênsil dos agregados ... 75
4.3.2. Densidade do solo, porosidade total, macroporosidade, microporosidade e resistência do solo à penetração ... 89
4.4. Diferenças entre os atributos físicos do solo construído após 103 meses de revegetação e um solo natural sob vegetação nativa ... 95
5. Conclusões ... 102
6. Referências bibliográficas ... 104
1. Introdução
As principais causas da degradação do solo durante a mineração se devem à remoção da cobertura vegetal e das camadas de solo (MUKHOPADHYAY et al. 2013) e a compactação da área recomposta topograficamente (SHEORAN et al., 2010). Perdas de carbono podem ser atribuídas à mistura mecânica dos horizontes A, B, e C durante a remoção e manipulação do solo, somadas à decomposição acelerada da matéria orgânica enquanto o solo fica exposto (USSIRI & LAL, 2005).
Solos fisicamente degradados podem ser recuperados com o cultivo de espécies de diferentes sistemas aéreos e radiculares que adicionam material orgânico em quantidade e de composição variada (HAYNES & BEARE, 1997). A diferença entre espécies pode estar na qualidade do material orgânico sintetizado pelas raízes das diversas culturas ou na configuração das raízes (BASSO & REINERT, 1998). O crescimento do sistema radicular em solos é afetado por uma ampla gama de propriedades do solo, mas, por outro lado, as propriedades dos solos também são modificadas pelas raízes (GREGORY, 2006).
As espécies de plantas se diferenciam quanto à influência de suas raízes na melhoria da estrutura do solo (VOLK & COGO, 2008). As gramíneas se destacam como plantas recuperadoras dos atributos físicos, pois sua alta densidade de raízes promove a aproximação das partículas do solo através da absorção de água no perfil, bem como liberam exsudatos que estimulam a microbiota do solo, auxiliando na formação e estabilização de agregados (SILVA & MIELNICZUK, 1997). Portanto, as raízes são importantes aliadas na conservação e recuperação do solo (RALISCH et al. 2010).
O estudo do desenvolvimento das raízes é de extrema importância para o entendimento das alterações provocadas nos atributos do solo. No entanto, poucos trabalhos apresentam medições diretas da biomassa subterrânea (COSTA et al. 2000), principalmente devido a métodos de avaliação trabalhosos e que demandam muito tempo. O uso de softwares de processamento de imagens pode levar a novos avanços nessa área, por facilitar os estudos das raízes, levando em conta o custo, precisão e tempo de análise (JORGE & CRESTANA, 2007).
A compactação é um dos principais problemas oriundos do processo de construção de solos após a mineração de carvão. O tráfego intenso de máquinas (carregadores, transportadores e tratores) durante a recomposição topográfica da área minerada é responsável pela compactação dos solos minerados (SHEORAN et al. 2010), que tendem a apresentar agregados formados por compressão, principalmente quando o tráfego ocorre em condições de umidade inadequada do solo (STUMPF et al., 2013).
A compactação em áreas mineradas limita diretamente o crescimento das plantas, pois a maioria das espécies é incapaz de estender suas raízes efetivamente através de elevadas densidades do solo (DANIELS & ZIPPER, 2010). Porém, vários trabalhos mostram a potencialidade de algumas espécies vegetais em revegetar e, consequentemente, melhorar as condições edáficas de áreas degradadas (SILVA et al., 2006; NETO et al., 2008; SILVA & CORRÊA, 2010; LONGO et al., 2011; LIMA et al., 2012; STUMPF et al., 2014). Para Andrade et al. (2009) a diminuição do grau de compactação pela ação de plantas de cobertura é um processo lento. No entanto, é primordial que haja mais informações sobre quais são as espécies mais eficientes, a curto e médio prazo, para melhorar a qualidade física do solo sob determinadas condições de solo e clima.
Considerando a dimensão da degradação que abrange a extração do carvão, percebe-se a dificuldade do solo construído retornar ao estado de organização anterior à mineração (PINTO et al. 2010). Contudo, torna-se necessário adotar medidas de recuperação que o deixem com adequadas condições químicas, físicas e biológicas para que o novo perfil construído cumpra suas funções no ambiente.
A melhoria da qualidade estrutural do solo é definida como o funcionamento do solo dentro de limites do ecossistema que sustente a produtividade biológica, que mantenha a qualidade ambiental e que promova a saúde animal e vegetal. Avaliações periódicas e a longo prazo dos atributos físicos, químicos e biológicos se tornam necessárias para poder acompanhar a evolução dos solos construídos revegetados e estabelecer as melhores alternativas e estratégias para a recuperação de áreas mineradas.
Neste contexto, o presente trabalho visa testar as seguintes hipóteses: a) O sistema radicular de gramíneas perenes tem comportamento diferente entre espécies quando submetido à compactação; b) Gramíneas que proporcionam maior
densidade, volume, área e comprimento radicular e maior diâmetro médio de raízes, apresentam maior potencial em recuperar os atributos físicos de um solo degradado.
O objetivo geral do presente trabalho é analisar o desenvolvimento radicular de gramíneas perenes em solos construídos após a mineração de carvão e relacionar seus resultados com os atributos físicos e químicos do solo após 103 meses de implantação das espécies vegetais.
Os objetivos específicos do trabalho são:
a) Avaliar os atributos radiculares: densidade, volume, comprimento, área e diâmetro médio radicular de quatro gramíneas perenes de verão, através do processamento de imagens digitais pelo Software SAFIRA, nas camadas 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído.
b) Avaliar os atributos químicos: pH do solo, teor de cálcio, de magnésio, de potássio, a saturação por bases e alumínio e o teor de carbono orgânico nas camadas 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído.
c) Avaliar os atributos físicos: distribuição de agregados estáveis em água, diâmetro médio ponderado e resistência tênsil de agregados, densidade do solo, porosidade total, macroporosidade, microporosidade, resistência mecânica à penetração nas camadas 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído.
d) Avaliar as frações densimétricas da matéria orgânica: carbono da fração leve livre e da fração leve oclusa e relacioná-las com o estado de agregação do solo nas camadas 0,00-0,10m, 0,10-0,20m e 0,20-0,30m do solo construído.
e) Avaliar as diferenças entre os atributos físicos do solo construído após 103 meses de revegetação e um solo natural sob vegetação nativa.
2. Revisão de literatura
2.1. Mineração de carvão e recomposição topográfica de áreas mineradas De acordo com a World Coal Association as reservas de carvão mineral no mundo possuem um volume aproximado de 860 bilhões de toneladas, com vida útil de 109 anos, sendo suas jazidas localizadas em 75 países. Das reservas existentes, 75% concentram-se em cincos países: Estados Unidos, Rússia, China, Austrália e Índia.
O Brasil possui uma das maiores reservas de carvão mineral da América Latina, entretanto, o país não se encontra entre os maiores produtores mundiais de carvão mineral, ocupando a 26ª posição (CGEE, 2013). Por outro lado, o carvão mineral nacional vem reconquistando o seu espaço no mercado de energia devido à necessidade de suprir a escassez de energia elétrica geradas por recursos hídricos (pela falta de água nos reservatórios) e, assim, garantir o fornecimento de energia nos estados do Sul do País. De acordo com o DNPM (2013), o consumo por carvão mineral nacional se distribui nos setores elétrico (81,1%), papel e celulose (4,9%), petroquímicos (3,3%), alimentos (2,9%), cerâmico (2,6%), metalurgia e cimento (1,3%) e outros (2,7%). No mundo, cerca de 40% da energia gerada é produzida através do carvão mineral (WEC, 2013).
Segundo a CPRM (2014), o Rio Grande do Sul apresenta em torno de 28,56 bilhões de toneladas de reservas de carvão, seguido de Santa Catarina (3,33 bilhões de toneladas. Somente a Jazida de Candiota (RS) possui 38% de todo o carvão nacional e como se trata de um carvão de qualidade inferior, é utilizado apenas na geração de energia termoelétrica e em local próximo à jazida.
A mineração do carvão pode ser superficial ou “a céu aberto” e subterrânea, de acordo com a localização dos depósitos de carvão. Atualmente, a mineração subterrânea é responsável por uma fatia maior da produção de carvão no mundo, embora a mineração de superfície seja mais comum em vários países produtores importantes como na Austrália e nos EUA, onde 80% e 67% da produção de carvão respectivamente advém da mineração a céu aberto.
Em Candiota, a mineração ocorre a céu aberto, pois o carvão está localizado em profundidades entre 10 e 25m da superfície do solo. Para que se tenha um melhor entendimento de como a mineração de carvão a céu aberto é realizada na mina de Candiota, e como o solo é posteriormente construído, apresenta-se a seguir as principais etapas envolvidas neste processo:
a) Remoção dos horizontes A, B e/ou C do solo original (Figura 1a), que são levados por caminhões para cobertura final de uma área topograficamente aplainada (Figura 1d);
b) Remoção das rochas através de escavadeira de alta capacidade (dragline); c) Extração dos bancos de carvão (Figura 1b);
d) Na cava aberta pela extração do carvão depositam-se os estéreis ou spoils (mistura de rochas e carvão não aproveitados) (Figura 1c), que são aplainados por tratores de esteira durante a recomposição topográfica da área.
e) Finalizando a recomposição topográfica da área, deposita-se uma camada de solo (horizonte A e/ou B), denominada de “terra vegetal” pelos técnicos da mineração (Figura 1d), retirada anteriormente à lavra do carvão, originando assim o “solo construído” (Figura 1e).
A concepção de “solo construído” é a de solo formado por materiais e procedimentos determinados pela ação humana onde tais solos são fundamentalmente antropogênicos (KÄMPF et. al., 1997). De acordo com Pinto et al. (2010) o grau de degradação do solo ou modificação exercida pela atividade humana é variável conforme a situação. A fase sólida pode passar a não exercer a função de barreira (substrato com pouca capacidade de troca de cátions ou complexo sortivo pode estar saturado), a percolação pode passar a ser irregular (por meio de fendas) ou o substrato pode estar contaminado por resíduos (por metais). A fase líquida, além da composição alterada pela contaminação, pode ter sua quantidade e disponibilidade afetadas pela compactação, aumentando o escorrimento superficial e a erosão. A fase gasosa pode ter a troca gasosa deteriorada pela compactação, prejudicando a respiração radicular e o desenvolvimento microbiano. Como resultado final, a biota do solo tende a diminuir sua bioprodutividade e pode ter alterada sua diversidade. Todas essas consequências devem ser levadas em conta, principalmente em solos minerados, que representam os casos mais extremos de modificação no perfil do solo (solos construídos) e, por conseguinte, nas funções que cada horizonte exerce.
a) b)
c) d)
e)
Figura 1: Processo de mineração e recomposição topográfica da mina de Candiota/RS.
Em muitos solos minerados a céu aberto a camada de solo é substituída por fragmentos do extrato rochoso ou estéreis (minespoils). Isto é comum em áreas que naturalmente são rochosas, ácidas e inférteis, tornando impraticável a preservação de uma camada de solo na superfície dos solos minerados (DANIELS & ZIPPER, 2010). Todavia, os minespoils levam tempo para evoluir para solo, reduzindo assim
a capacidade dos solos minerados voltarem a ser produtivos (ONWEREMADU, 2007).
Os solos construídos, portanto, são solos pedologicamente jovens e o processo de recuperação pode ser acelerado pela adição de uma camada de solo e revegetação (MUKHOPADHYAY et al., 2014). Muitas vezes, a camada de solo é retirada de áreas de empréstimo que pode elevar o custo da recuperação a níveis proibitivos se uma quantidade suficiente de solo a ser emprestada não estiver em área adjacente à mina, além de criar uma nova área degradada (CHEN et al., 2013). Por outro lado, a adição de uma camada de solo pode melhorar a qualidade do solo construído, mas o manuseio e a distribuição inadequada pode causar sua compactação (BORŮVKA et al., 2012) e dificultar o desenvolvimento da cobertura vegetal, principal ponto de partida para a recuperação dos solos minerados, já que a acumulação de material orgânico resulta em mudanças positivas nas propriedades físico-químicas do novo solo (ZHAO et al., 2013).
A revegetação do solo construído também facilita o desenvolvimento de bactérias fixadoras de nitrogênio e as associações micorrízicas, as quais são fundamentais para a manutenção da qualidade do solo mediante os processos de mineralização da matéria orgânica e ciclagem de nutrientes (SHEORAN et al., 2010; SOURKOVA et al., 2005).
A mineração a céu aberto gera um grande impacto na paisagem, eliminando a vegetação e alterando permanentemente a topografia, a geologia e o regime hidrológico da área, pois envolve a movimentação e remoção de grandes volumes de solo e de rochas (ZHANG et al., 2015; MUKHOPADHYAY et al., 2013; ZHAO et al., 2013; IZQUIERDO et al., 2005). Além do impacto visual, há problemas associados à drenagem ácida de áreas adjacentes (DANIELS & ZIPPER, 2010; DANIELS et al., 2002; LIMPITLAW et al., 1997), à erosão e à compactação do solo construído (KRUMMELBEIN & RAAB, 2012; SHEORAN et al., 2010; LIMPITLAW et al., 1997). Perdas de carbono ocorrem durante a remoção, armazenamento e recolocação do solo na área minerada, tanto pela erosão do solo como pela desintegração de agregados do solo natural, que acabam expostos à ação dos microorganismos (MAHARANA & PATEL, 2013; WICK et al., 2009; ANDERSON et al. 2008).
A recuperação da agregação do solo, a acumulação e persistência da matéria orgânica e o desenvolvimento das comunidades microbianas ao longo do tempo são
atributos bem entendidos em cenários agrícolas, todavia, são pouco entendidos na recuperação de solos minerados (WICK et al., 2010). Portanto, para que haja sucesso no estabelecimento da vegetação em solos construídos é necessária a compreensão sobre a natureza dos solos minerados e como estes diferem dos solos naturais no que diz respeito à profundidade, densidade, drenagem, conteúdo de matéria orgânica, fertilidade e atividade microbiana (LIMPITLAW et al., 1997).
2.2. Recuperação de áreas mineradas
O pH de um solo construído pode mudar rapidamente quando ocorre a exposição dos fragmentos de rochas ou estéreis à água e ao oxigênio. Os minerais sulfetados quando presentes, principalmente a pirita, oxidam para ácido sulfúrico, gerando a drenagem ácida de mina (FINKELMAN & GROSS, 1999) e reduzindo drasticamente o pH de áreas adjacentes. Em contraste, a predominância de minerais carbonatados (Ca/MgCO3) tende a aumentar o pH quando expostos às
intempéries climáticas (DANIELS & ZIPPER, 2010).
A drenagem ácida de mina, ao acidificar o meio (PINTO & KAMPF, 2002), gera grandes concentrações de Fe, Mn e Al na solução de solos construídos (CHEN et al. 2013; LIMPITLAW et al., 1997). Inda et al. (2010) observaram o processo de sulfurização após 24 anos de construção do solo em diferentes áreas de mineração no Rio Grande do Sul, com implicações negativas no desenvolvimento da vegetação e na recuperação da área degradada.
Esta consequência química da mineração de carvão pode ser corrigida através do uso de elevadas quantidades de calcário (SILVA, 2012), ou através do uso de cinzas alcalinas provenientes da queima do carvão. Todavia, a aplicação de cinza em uma única vez parece não ser efetiva para manter o pH em níveis adequados, se a oxidação da pirita não estiver completamente neutralizada (DANIELS et al., 2002).
Além da acidez, outro problema que interfere na revegetação e, consequentemente, na recuperação das áreas mineradas é a compactação, considerada o principal impacto físico negativo gerado pelo processo de extração de carvão e recomposição topográfica da área minerada (STUMPF et al., 2014; SENA et al., 2014; BORŮVKA et al., 2012; KRUMMELBEIN & RAAB, 2012; SHEORAN et al., 2010; WICK et al. 2009; DANIELS et al. 2002; CLEVELAND & KJELGREN, 1994; LIMPITLAW et al., 1997).
O desenvolvimento do solo a partir da recomposição de áreas mineradas fornece uma oportunidade única para expandir o conhecimento existente sobre a formação e a estabilização de agregados, acumulação e distribuição da matéria orgânica e da biomassa microbiana, pois devido à magnitude da perturbação do ecossistema, cria-se um cenário de “tempo zero” (WICK et al. 2010).
No sudeste dos Estados Unidos, Thomas et al. (2000) compararam o desenvolvimento de horizontes entre solos construídos há 2, 7, 11 e 23 anos e solos naturais não perturbados e observaram que a espessura do horizonte A e a agregação aumentaram com a idade dos solos construídos, assim como a estrutura dos solos construídos mais velhos apresentou-se similar ao do solo natural.
No sudeste da Nigéria, Onweremadu (2007) avaliou as diferenças entre as propriedades de solos construídos há 5, 10, 15 e 30 anos em relação ao solo natural e observou a presença de horizontes O e A no solo natural, enquanto que nos solos construídos o Horizonte O estava ausente, além de apresentar valores elevados de densidade do solo.
No centro-oeste dos Estados Unidos, Akala & Lal (2001) analisaram o sequestro de carbono em solos construídos recuperados há 0, 5, 10, 15, 20 e 25 anos e observaram que houve o desenvolvimento de horizontes em um período relativamente curto de tempo (10-15 anos). A camada de 0,00-0,03m consistia de matéria orgânica não decomposta ou parcialmente decomposta, a camada de 0,03-0,10m apresentava-se mais escura, com acréscimo visível de carbono orgânico, a camada de 0,10-0,25m era a menos colorida com raízes intercaladas e a camada abaixo de 0,25m apresentava estéreis com limitada presença de raízes. Os autores também perceberam que a perda de carbono orgânico, devido ao efeito degenerativo da mineração, ocorreu durante os estágios iniciais da recuperação, no entanto, este começou a se acumular após 5 e 10 anos.
Em áreas recuperadas após a mineração de carvão na República Checa e Alemanha, Sourkova et al. (2005) analisaram o desenvolvimento do solo e da biomassa microbiana e observaram que o tipo de vegetação e a qualidade dos resíduos adicionados foram mais importantes para a atividade microbiana do que o tipo de substrato utilizado na recomposição da área minerada.
No norte da China, Zhao et al. (2013) avaliaram o desenvolvimento de solos a partir de fragmentos de rochas da mineração de carvão a céu aberto (minespoils), recuperados ao longo de 13 anos e observaram que o teor de matéria orgânica
aumentou significativamente ao longo dos anos, bem como o desenvolvimento do sistema radicular das plantas atuou de forma mais significativa na melhoria da agregação do solo entre 5 e 10 anos após a revegetação da área.
Em uma área de mineração de níquel e cromo em Cuba, Izquierdo et al. (2005) observaram que após 6 anos de revegetação o conteúdo de carbono e a estabilidade de agregados foi maior nos solos construídos após a mineração do que no solo natural.
Na República Checa, Borůvka et al. (2012) avaliaram o efeito da cobertura de uma camada de solo como uma medida de recuperação sob estéreis de mineração de carvão, e observaram um aumento do conteúdo de carbono orgânico e da qualidade do húmus do solo construído.
Em áreas de mineração de carvão a céu aberto na China, Zhang et al. (2015) analisaram os efeitos da vegetação no escoamento superficial e erosão do solo e observaram que após 5 anos, a vegetação aumentou o conteúdo de matéria orgânica, melhorou as propriedades físicas do solo e reduziu o escoamento superficial e a erosão.
Na Índia, Mukhopadhyay et al. (2014) investigaram o efeito da vegetação no desenvolvimento e recuperação de solos construídos ao longo do tempo e observaram que a idade dos solos construídos tem um efeito significativo no fornecimento de nutrientes e na atividade microbiológica, e que o progressivo acúmulo de nutrientes após 17 anos de recuperação podem ser suficientes para a manutenção do novo ecossistema.
Nos Estados Unidos, Clayton et al. (2009) estudaram a revegetação de solos construídos, sem adição de uma camada de solo, com 0-2, 5-7, 16-20 e 38-42 anos de idade e observaram que em solos construídos com 0-2 anos predominavam gramíneas anuais e perenes; solos construídos com 5-7 anos predominava a espécie leguminosa Lespedeza cuneata; nos solos construídos com 16-20 anos predominavam a Festuca arundinaceae e espécies arbóreas; nos solos construídos com 38-42 anos havia um misto de coníferas, árvores nativas e espécies de sub-bosque.
Holl (2002) em 1992/93 fez um levantamento da vegetação em solos construídos com idade entre 2 e 30 anos e observou que o número de espécies de plantas foi aumentando com o tempo de recuperação do solo construído e que o número de espécies florestais colonizando as áreas recuperadas também aumentou.
Entretanto, o restabelecimento de comunidades de plantas nativas pode ser muito mais longo do que os 30 anos de recuperação estudados.
Krummelbein & Raab (2012), avaliando o desenvolvimento de parâmetros físicos do solo em recuperação com diferentes espécies vegetais nos primeiros 4 anos após mineração de carvão na Alemanha, observaram que as propriedades físicas do solo construído nos primeiros anos ainda são muito variáveis. Contudo, os resultados de densidade do solo indicam que é recomendável a escolha de espécies perenes e com enraizamento o mais profundo possível para melhorar a formação da estrutura do novo solo.
Li et al. (2015), avaliando os efeitos da regeneração da vegetação na atividade microbiana em solos recuperados após mineração de carvão na China, observaram que as bactérias e os fungos do solo evoluíram com o processo de recuperação do solo minerado ao longo de 18 anos.
O sucesso da recuperação de solos minerados não só depende dos métodos de mineração, da altura e da inclinação dos cones de resíduos, da natureza dos solos minerados, das condições geoclimáticas, mas também depende das espécies de plantas selecionadas e introduzidas para a sua revegetação (MUKHOPADHYAY et al., 2013).
2.3. Recuperação de áreas mineradas em Candiota
Avaliar o progresso e o sucesso da recuperação de áreas mineradas, identificando diferentes indicadores de qualidade do solo é essencial para determinar quantitativamente a melhoria dos atributos dos solos construídos após a mineração (MUKHOPADHYAY et al. 2014).
Nunes (2002) ao comparar solos construídos com 1 e 5 anos de idade e um solo natural, observou que os métodos de construção que utilizam pouca espessura de solo originam solos construídos com grande quantidade de estéreis de mineração (spoils), os quais promovem uma maior densidade do solo, menor macroporosidade e elevada resistência mecânica à penetração, além de um baixo valor de pH (em torno de 2,4). Em relação ao solo natural, observou que os solos construídos com 1 e 5 anos de idade possuíam maior densidade e menor porosidade total.
O solo construído sob cultivo de Hemarthria altissima, Paspalum notatum cv. Pensacola, Cynodon dactylon cv. Tifton e Urochloa brizantha, objeto deste estudo, foi avaliado por Franco (2006) quando as espécies vegetais estavam implantadas a
5 meses, por Gonçalves (2008) quando as espécies vegetais estavam implantadas a 41 meses, por Miola (2010) e Leal (2011) quando as espécies estavam implantadas a 72 meses e por Castro (2012) quando as espécies vegetais estavam implantadas a 78 meses. Os resultados são relatados a seguir:
a) Franco (2006) avaliando a agregação do solo construído, aos 5 meses de condução do experimento, não observou diferença significativa entre as espécies nas camadas de 0,00-0,10m e de 0,10-0,20m. Todavia, a maior concentração de agregados na camada de 0,00-0,10m ocorreu na classe de 1,00-0,25mm (32,67%), enquanto que na camada de 0,10-0,20m a maior concentração ocorreu na classe de 4,76-2,00mm (26,68%). O teor médio de carbono na camada de 0,00-0,10m foi de 5,34 g kg-1 e na camada de 0,10-0,20 m de 5,18 g kg-1.
b) Gonçalves (2008) não observou, aos 41 meses de condução do experimento, diferença entre as espécies em relação à agregação do solo, entretanto, a maior concentração de agregados ocorreu na classe de 1,00-0,25mm, tanto na camada de 0,00-0,10m (40,13%) como na camada de 0,10-0,20m (35,73%). O teor médio de carbono orgânico na camada de 0,00-0,10m foi de 7,38 g kg-1 e na camada de
0,10-0,20m foi de 6,20 g kg-1.
c) Miola (2010), avaliando a pressão de pré-consolidação após 72 meses de condução do experimento, observou que o menor valor da pressão de pré-consolidação foi proporcionado pela Hemarthria altissima (71 kPa) e os maiores valores proporcionados pelo Paspalum notatum cv. Pensacola (120 KPa), Cynodon dactylon cv. Tifton (120 kPa) e a Urochloa brizantha (118 kPa).
d) Leal (2011) observou após 72 meses que a Hemarthria altissima e a Urochloa brizantha proporcionaram os maiores estoques de carbono na fração leve livre (1,22 Mg ha-1 e 1,27 Mg ha-1 respectivamente) em relação a Paspalum notatum (0,86 Mg
ha-1) e ao Cynodon dactylon (0,83 Mg ha-1) na camada de 0,00-0,03m. Em relação
ao estoque de carbono da fração leve oclusa a Hemarthria altissima e o Cynodon dactylon apresentaram os maiores teores (1,09 Mg ha-1 e 1,02 Mg ha-1
respectivamente) em relação ao Paspalum notatum (0,61 Mg ha-1).
e) Holanda Neto (2011) observou um aumento dos teores de carbono orgânico total e a respiração basal de um solo construído sob revegetação há 2 anos (Urochloa brizantha, Cynodon dactylon cv. capim vaquero, Panicum maximum, Urochloa humidicola, Hemarthria altissima e Cynodon dactylon cv. Tifton) em relação a um solo construído não vegetado. As espécies de fungos micorrízicos arbusculares
encontradas na área de estudo foram: Acaulospora mellea, Entrophospora infrequens, Glomus clarum, Glomus macrocarpum, Glomus tortuosum, Glomus sp., Glomus clavisporum, Glomus dominikii, Glomus etunicatum, Glomus.
f) Castro (2012) observou aos 78 meses de condução do experimento, que a concentração de macroagregados foi maior na camada de 0,10-0,20m (87,56%) em relação à camada de 0,00-0,10m (81,15%). O teor médio de carbono orgânico na camada de 0,00-0,10m foi de 8,46 g kg-1 e na camada de 0,10-0,20m foi de 6,39 g
kg-1.
g) Reis (2012) observou que a resistência tênsil de agregados de um solo construído sob revegetação há 3 anos (Cynodon dactylon cv. capim vaquero, Panicum maximum, Urochloa humidicola e Urochloa brizantha) esteve associada negativamente com o teor de carbono orgânico total nas camadas de 0,00-0,05m e de 0,10-0,15m. Os valores de RT variaram de 82,41 kPa a 112,28 kPa na camada 0,00-0,05m e de 91,40 kPa a 191,41 kPa na camada 0,10-0,15m.
2.4. Importância das plantas na recuperação de áreas degradadas
O uso de plantas de cobertura torna-se primordial em programas de recuperação de áreas degradadas, pois a cobertura do solo e a adição de fitomassa ao sistema proporcionam, entre outros, a redução da erosão e o aumento gradativo da matéria orgânica do solo. Consequentemente, as plantas desempenham um papel fundamental na ciclagem de nutrientes (PEREIRA et al. 2010), na melhoria da infiltração da água da chuva e no aumento da atividade biológica, criando condições propícias para o estabelecimento de outras espécies mais exigentes (CAPECHE et al. 2008).
Segundo Pelegrinni (2006), as condições físicas que limitam o desenvolvimento das raízes no solo são frequentemente relatadas em camadas compactadas. Todavia, as raízes sofrem modificações morfológicas e fisiológicas, por vezes específicas a cada espécie, a fim de se adaptarem às condições impostas pela compactação (MÜLLER et al., 2001). Uma destas adaptações é a exploração de fissuras no solo, onde as raízes podem apresentar o córtex externo achatado enquanto que os tecidos internos de condução de água permanecem cilíndricos (GREGORY, 2006).
De acordo com Smucker (1986), em condições desfavoráveis ao desenvolvimento radicular, a percentagem de fotoassimilados direcionada para a
manutenção do sistema radicular é muito maior, pois um ambiente estressante (estresse nutricional, mecânico ou químico) demanda maiores quantidades de carbono para o desenvolvimento de tecido adicional, manutenção da integridade das membranas, perdas por exsudação, maior taxa de renovação celular ou de tecidos que fazem a interface com o ambiente.
Pesquisas abordando o potencial das raízes de gramíneas na alteração da qualidade estrutural do solo não são frequentes na literatura (LIMA et al., 2012). Entretanto, o estudo do sistema radicular das plantas a campo é útil à ciência agronômica, pois a busca pelo aprimoramento da sua qualidade torna necessário conhecer as alterações impostas ao ambiente físico do solo pelo crescimento e renovação do sistema radicular (NEVES & MEDINA, 1999; LIMA et al., 2012).
Historicamente o estudo de processos subterrâneos tem sido um grande desafio para cientistas, já que o solo é uma barreira para a observação e para a avaliação in loco dos processos associados à raiz (MATTA, 1999). Contudo, em muitos trabalhos tem se atribuído ao sistema radicular das plantas muitas das melhorias nos atributos físicos, químicos e biológicos do solo, embora poucos estudos sejam realizados para comprovar se tal comportamento é verdadeiro.
O objetivo das plantas de cobertura na recuperação dos solos geralmente tem sido o retorno das folhas (parte aérea) para o solo, tanto como contribuição ao estoque de carbono no solo, quanto como substrato e fonte de energia para os microorganismos. Porém, o retorno de carbono no solo através das raízes pode ser igual ou até maior que o proporcionado pela parte aérea (GREGORY, 2006). A diferença na taxa de acumulação do carbono derivado das raízes deve-se à menor taxa de decomposição do tecido radicular e à maior conversão de carbono do tecido radicular em carbono do solo, devido à alta relação lignina/nitrogênio e à maior proteção física da matéria orgânica no interior dos agregados formados (BALESDENT & BALABANE, 1996).
Para Lal (1997) o processo de formação e estabilização de agregados do solo pelo sistema radicular e a adição de carbono ao solo é importante na recuperação de solos degradados, sendo também apontado como um mecanismo de retirada de CO2 da atmosfera e sua fixação na forma de matéria orgânica. Os produtos da
fotossíntese translocados para o interior do solo são representados pelo tecido radicular vivo, exsudatos e diversos constituintes orgânicos derivados de raízes em
crescimento, raízes mortas e pêlos radiculares, microorganismos rizosféricos e seus subprodutos (BALESDENT & BALABANE, 1996).
Um sistema radicular denso, bem desenvolvido e atuante por vários anos no mesmo local, como os das gramíneas perenes, aproxima as partículas e adiciona compostos orgânicos em toda matriz do solo, resultando em maior agregação do solo quando comparado à agregação promovida por culturas anuais, cujo sistema radicular é menos desenvolvido e atua por curtos períodos de tempo no solo (SILVA & MIELNICZUCK, 1997).
A manutenção e recuperação de propriedades físicas do solo podem ser reforçadas por espécies de plantas com sistemas radiculares profundos e abundantes e uma elevada produção de biomassa (RALISCH et al. 2010), pois as raízes e partículas de solo estão frequentemente em contato íntimo, através dos pêlos radiculares, da mucilagem e presença de microorganismos, formando uma zona de múltiplas interações entre a planta e o solo (GREGORY, 2006). No entanto, o grau de influência das raízes na estrutura do solo através da exsudação é muito variável com a produção e composição das mucilagens, que são dependentes do conteúdo de água, das espécies vegetais, do estágio de desenvolvimento e da profundidade do solo (SIX et al., 2004).
As plantas através de seu sistema radicular são a principal força propulsora na manutenção da qualidade do solo, pois o seu movimento ao longo do perfil e a liberação de exsudatos diretamente à matriz do solo resultam na união das partículas individuais (MIELNICZUK, 1999) e esta é, provavelmente, a ação mais importante das raízes na microagregação do solo e na proteção da matéria orgânica (HAYNES & FRANCIS, 1993). Ao mesmo tempo que o sistema radicular cresce, a matéria orgânica oriunda da decomposição do tecido radicular, juntamente com as raízes não decompostas, hífas de fungos e micorrizas também atuam na formação dos macroagregados do solo (HAYNES & BEARE, 1997).
Segundo Libardi & Van Lier (1999), a extensão do sistema radicular é resultado do potencial genético que a planta possui para desenvolver raízes (alocando uma parte de sua produção em carboidratos para o sistema radicular) e de fatores externos, que podem ser classificados como químicos (pH, elementos tóxicos, nutrientes), físicos (oxigenação, temperatura, umidade, densidade/porosidade) e biológicos (atividade microbiana, etc.).
Segundo Ingaramo (2003), os fatores físicos considerados adequados para avaliar a qualidade do solo são a porosidade, a densidade do solo, a resistência do solo à penetração, a distribuição de tamanho de agregados e profundidade em que as raízes crescem. Outro indicador físico muito sensível às condições do solo é a resistência tênsil (LIMA et al. 2005; TORMENA et al. 2008) que é influenciada pelo teor de matéria orgânica, ciclos de umedecimento e secagem do solo, tipo de solo, manejo adotado, profundidade de amostragem e umidade do solo (CAUSARANO, 1993; RAHIMI et al. 2000). Contudo, Stenberg (1999) enfatiza que nenhum indicador, individualmente, conseguirá descrever e quantificar todos os aspectos de qualidade do solo.
Pouco se sabe a respeito do tempo que o solo degradado leva para adquirir uma estrutura estável, independente da prática de recuperação adotada. No entanto, na literatura encontram-se alguns trabalhos que corroboram a eficiência de determinadas espécies na recuperação de solos degradados, ou ao menos indicam que estas possam ser eficientes ao longo dos anos, dependendo do manejo a ser adotado. Em um destes trabalhos, Debiasi et al. (2008) concluiu que a Avena sativa e o Raphanus sativus reduziram o grau de compactação em um Argissolo, após quatro anos de cultivo, devido ao aumento no teor de matéria orgânica e à ação do sistema radicular das espécies. Lima et al. (2012) observaram após 8 anos que o Cynodon spp. apresentou potencial para a melhoria da estrutura de um Latossolo degradado fisicamente, possivelmente devido à alta densidade de raízes e a renovação do seu sistema radicular. Brandão (2009) menciona que as raízes da Urochloa, por serem abundantes e finas, são excelentes recicladoras de nutrientes, pois podem se desenvolver a profundidades superiores a 1,5m. Além disso, a decomposição de suas raízes favorece o desenvolvimento da vida microbiana do solo e com isso, melhoram a agregação do solo, gerando condições favoráveis à maior infiltração de água e às trocas gasosas. Crispim et al. (2005) também mencionam que o grande aporte de palhada por parte das braquiárias, somado ao grande volume de raízes em profundidade, melhoram a fertilidade bem como a estrutura do solo ao longo do perfil.
Reinert et al. (2008) analisando a qualidade física de um Argissolo Vermelho após o cultivo de plantas de cobertura de inverno (Avena strigosa + Vicia sativa; Raphanus sativus) e verão (Crotalaria juncea; Cajanus cajan; Mucuna pruriens e Canavalia ensiformis), observaram que todas as plantas utilizadas nas rotações
tiveram restrições no crescimento das raízes devido a presença de camadas compactadas. Todavia, Costa et al. (1999) avaliando o potencial de Crotalaria mucronata, Crotalaria juncea, Crotalaria spectabilis e Cajanus cajan como descompactadoras do solo em um Latossolo, observaram que o Cajanus cajan minimizou a compactação do solo e melhorou a agregação do solo.
A recuperação não necessariamente significa restaurar o solo para as condições naturais anteriores (MUKHOPADHYAY et al. 2013) e no caso das áreas impactadas pela mineração de carvão, a recuperação dos atributos físicos do solo tende a ser lenta, devido a intensa perturbação do ecossistema causada por esta atividade. No entanto, estima-se que no decorrer dos anos, o contínuo aporte de matéria orgânica proporcionada pela revegetação, via aérea e subterrânea, atue na recuperação das condições edáficas do solo construído, principalmente em profundidade (STUMPF et al. 2014).
2.5. Arquitetura do sistema radicular
De acordo com Pacheco-Villalobos & Hardtke (2012) a arquitetura de um sistema radicular reflete a forma, a distribuição tridimensional, o padrão de enraizamento e a idade das raízes. A variação da arquitetura do sistema radicular entre diferentes espécies é comum, mas a divisão pronunciada entre dicotiledôneas (feijão, amendoim, soja, ervilha, lentilha, etc.) e monocotiledôneas (gramas, cana-de-açúcar, milho, arroz, trigo, etc.) é a mais proeminente. O sistema radicular das dicotiledôneas consiste em uma única raiz primária e uma rede de raízes laterais, que permanecem ativas durante o ciclo de vida da planta.
Gregory (2006) menciona que o sistema radicular das monocotiledôneas é composto basicamente por dois tipos de raízes, sendo o primeiro conhecido como raízes seminais (raízes primárias) e o segundo, como raízes nodais (raízes secundárias, basais ou adventícias). Tanto as raízes seminais quanto as nodais crescem extensivamente formando um sistema radicular fibroso, onde as raízes tendem a apresentar o mesmo diâmetro, não sendo possível distinguir a raiz principal.
As raízes seminais suprem a plântula principalmente de água, uma vez que, nesse momento, os nutrientes para a sua sobrevivência são provenientes das reservas de amido da semente. No momento em que a plântula emerge, o sistema radicular seminal começa a diminuir a sua importância, visto que, desse momento
em diante, tem início o sistema de raízes nodais, que se origina a partir de nós localizados no mesocótilo.
Tanto em monocotiledôneas quanto em dicotiledôneas, o desenvolvimento das raízes depende da atividade do meristema apical. Na figura 2 se apresenta um diagrama explicando 3 zonas de atividade da raiz: região de divisão celular, zona de alongamento e zona de maturação.
Figura 2: Representação do desenvolvimento primário de uma raiz. Fonte: Gonçalves & Lynch (2014).
De acordo com Gonçalves & Lynch (2014), a região de divisão celular fica na ponta da raiz, conhecida como coifa, a qual protege o meristema e garante a expansão da raiz no solo. A coifa é coberta por mucigel, que auxilia na penetração no solo, absorvendo nutrientes e interagindo com microorganismos, além de ter a percepção da gravidade, ou seja, o sinal que direciona o crescimento para baixo, processo este chamado de resposta graviotrópica. Na zona de alongamento as células do córtex sofrem divisões e ao final do desenvolvimento primário da raiz a camada interna é denominada endoderme. Nela ocorre um depósito de suberina em células radiais formando as estrias de Caspary, que controlam a entrada de água e nutrientes para dentro da raiz. Na zona de maturação aparecem os pêlos radiculares, que ocorrem na maioria das dicotiledôneas e em algumas monocotiledôneas, aumentando muito a área de absorção de água e nutrientes e ajudando na ancoragem das raízes no solo.
A arquitetura radicular determina o acesso à água e aos nutrientes no solo, no entanto, os processos de alongamento e ramificação podem ser influenciados pela disponibilidade dos elementos no solo. Uma grande proliferação de raízes pode ocorrer em solos com elevada disponibilidade de nutrientes, contudo, para alguns nutrientes como nitrato, elevadas concentrações podem inibir o alongamento radicular (RICH & WATT, 2013). A deficiência de fósforo pode diminuir a sensibilidade gravitrópica tanto da coifa como das raízes basais, resultando em um sistema radicular mais superficial (GREGORY, 2006).
A quantidade de nutrientes absorvida pelas raízes é também afetada pela idade da raiz ou o período em que esta permanece ativa. A idade da raiz aumenta com o seu crescimento, portanto, é na extremidade das raízes que se localizam as células mais jovens (ANGHINONY & MEURER, 1999).
A presença de alumínio no solo é considerada como a limitação mais comum para o crescimento das plantas em muitos solos ácidos, pois quando o pH diminui para menos de 5,0 os minerais contendo alumínio tornam-se muito solúveis e causam fitotoxidade às raízes, que geralmente ficam mais grossas e curtas (GREGORY, 2006).
O alongamento das raízes também varia de acordo com a distribuição dos macroporos, que é dependente das características do solo como sua densidade ou resistência à penetração (PASSIOURA, 1991; HATANO et al., 1988; REINERT et al. 2008). Portanto, zonas compactadas do solo podem restringir o crescimento das raízes em profundidade, diminuindo seu alongamento e alterando seu diâmetro (PIERRET et al. 2007). Todavia, a exploração de fissuras e canais pode permitir que as raízes penetrem em solos duros e explorem solos em maiores profundidades em busca de água e nutrientes (RICH & WATT, 2013).
A média global da profundidade das raízes das plantas nos diferentes biomas mostra que cerca de 30% de raízes se localizam nos primeiros 0,10m, 50% nos primeiros 0,20m e 75% nos primeiros 0,40m (JACKSON et al. 1996).
2.6. Métodos de avaliação do sistema radicular
De acordo com Bhöm (1979) os métodos para avaliação do sistema radicular englobam o método da escavação, o método do monólito, o método do trado, o método da parede no perfil; entre outros. A escolha do melhor método para o estudo
