Multi-Analytical Interactions in Support of Sugarcane Agroecosystems Sustainability in Tropical Soils

The risks of sugarcane management on soil microbes and their relationships with soil physicochemical factors and biogeochemical processes have not been described from an integrated perspective for different agronomic practices. Here, we provide a platform for multi-analytical interactions between ecologists analyzing the soil microbes at multiple ecological levels and geoscientists measuring the release of greenhouse gases and the physicochemical soil factors including labile fractions from soil organic matter in tropical sugarcane management systems. We compile the benefits and risks of nutrient management and soil amendments as well as of crop residue and harvest management in sugarcane soils on belowground microbial life and biogeochemical processes mediated by soil microbial communities, and we demonstrate that the massive planting of the crop brings environmental risks that include a potential impact on tropical soil ecosystem sustainability. We emphasize that soil management and harvest management are critical for supporting the sustainable development of biofuel production in tropical areas

Maximum capacity of carbon accumulation in soils cultivated with sugarcane

Um dos principais entraves na cultura da cana-de-açúcar quanto à sustentabilidade do solo é o manejo da cultura e da colheita. O objetivo deste estudo foi avaliar os estoques de C e sua dinâmica em diferentes frações da MOS (matéria orgânica do solo) em áreas cultivadas com cana-de-açúcar sob os manejos com e sem queima e, sob adubação orgânica com diferentes períodos de adoção (4 e 12 anos), tendo uma área de vegetação nativa (Cerradão) como referência. As áreas localizam-se em Goianésia-GO, sendo todas representativas da classe dos Latossolos Vermelho-Amarelo distróficos. Foram avaliados os teores de C e N do solo e seus respectivos estoques, além dos teores de C e N e, das abundâncias isotópicas do 13C e 15N para as frações organominerais < 53 ?m, 75-53 ?m e 2000- 75 ?m (fração orgânica e organomineral) da MOS. De posse desses resultados, objetivou-se simular a capacidade máxima de acúmulo de C, a partir do modelo Century, enfatizando os manejos avaliados e texturas de solos contrastantes. Os teores de C foram maiores para o manejo orgânico-4, em relação às demais áreas de cana-de-açúcar avaliadas. Os estoques de C e N foram maiores para as áreas em que o teor de argila foi superior; com queima e orgânica-4. Devido as diferenças entre texturas foram calculados os estoques em função dos ajustes quanto à massa de solo e teores de argila, utilizando-se como referência a vegetação nativa. Dessa forma os maiores estoques foram observados para o manejo orgânica-12. Os resultados para o conteúdo de C da biomassa microbiana (C-BM) mostrou aumento dos em função da melhoria do manejo. Em relação aos teores de C e N das frações da MOS, os manejos orgânicos (orgânica-12 e -4) resultaram nos maiores valores observados, principalmente para a fração organomineral <53 ?m à 5 cm de profundidade. Tais resultados refletiram diretamente sobre os valores de 13C, sua respectiva proporção de C derivado do resíduo C4 e, do 15N, indicando, respectivamente, maior acúmulo e proporção de C proveniente da cultura de canade- açúcar nas frações da MO, além de evidenciar, a partir do 15N, comportamento, quanto ao grau de humificação da MO, mais próximo ao observado para a vegetação nativa. Os resultados do estudo de modelagem enfatizaram a importância da textura do solo bem como as práticas de manejo para o acúmulo de C no solo. Os sistemas de manejo conservacionistas ao contrário da queima resultaram em estoques de C superiores em 78 % e 98 %, quando simulado solo com maior e menor teores de argila, respectivamente. Os resultados suportaram o uso do modelo Century em aplicações práticas de acúmulo de C em solos cultivados com cana-deaçúcar, principalmente, para os estoques de C e os ?13C dos solos avaliados, indicando que o modelo Century pode ser uma importante ferramenta para estabelecer estratégias apropriadas de manejo para aumentar os estoques de C do solo ao longo do tempo. O longo período de avaliação mostrou que conceitos, como o \"steady state\" de C no solo, podem ser investigados via modelagem, como pelo uso do modelo Century. A partir desse estudo foi possível concluir que práticas de manejos conservacionistas tendem a aumentar os estoques de C e N do solo ao longo do tempo e, que esse aumento é fortemente influenciado pelo teor de argila no solo.One of the main obstacles of sugarcane production in the soil sustainability is the crop management and harvesting. The aim of this study was to evaluate the carbon (C) stocks and dynamics in different SOM fractions in sugarcane systems with or without burning, and under organic fertilization with different periods of adoption (4 and 12) and an area of native vegetation (Cerradão) used as a reference. The study areas are located in Goianésia, GO, all representatives of Latossolos Vermelho-Amarelo distróficos (Oxisols Hapludox distrofic). We evaluated C and N soil contents and natural isotopic abundances 13C e 15N to organominerals fractions < 53 ?m, 75-53 ?m e 2000-75 ?m (organic and organomineral fractions) of SOM. With these results, we aimed to simulate the maximum accumulation of C, by using the Century model, emphasizing different management practices and contrasting soil textures. The C contents were higher for organic-4, in relation to the other areas of sugarcane evaluated. The stocks of C and N were higher for areas where the clay content was higher (burning and organic-4). Due to the difference between soil texture we calculated stocks according to the adjustments on the equivalent mass of soil and clay content, with reference to the native vegetation and thus the largest stocks were observed for organic-12. The C from microbial biomass (C-BM) showed increased in the (C-BM) levels, due to improved management. Regarding the levels of C and N fractions of SOM, the organic-12 and organic-4 resulted in the highest values, especially for OM fraction < 53 ?m (organomineral) to 5 cm depth. These results reflected directly on the values of 13C, the respective proportion of C derived from C4 residue and the 15N, indicating, respectively, greater accumulation and proportion of C derived from the sugarcane in SOM fractions, and evidence from the 15N closer behavior to that observed for native vegetation, relative of OM humification degree. The results of the modeling study emphasized the importance of soil texture and management practices for soil C accumulation. The conservation management system resulted in higher C stocks, by 78% and 98% when simulated soil with higher and lower clay contents, respectively. The results supported the use of the Century model in practical applications of C accumulation in soils cultivated with sugarcane, especially for C stocks and 13C of soils evaluated, indicating that the Century model can be an important tool to establish appropriate management strategies to increase soil C stocks over time. The long period of evaluation showed that concepts such as the \"steady state\" of soil carbon, can be investigated via modeling. We concluded that the practices of the conservation tillage systems tend to increase the stocks of C and N in the soil over time, and this increase is strongly influenced by the clay content in the soil

Decomposition of eucalyptus residue and C-CO2 efflux from soils at different locations in Brazil

Os plantios de eucalipto geram grande quantidade de resíduos após a colheita das árvores. Esses resíduos quando deixados no solo podem ser potenciais contribuintes para a estabilização de C nas frações da matéria orgânica, ou fonte de CO2 para a atmosfera. Entretanto, a decomposição dos resíduos é complexa, e envolve mudanças químicas do substrato e na sucessão de microrganismos capazes de utilizar resíduos com composições distintas. Além disso, as características de solo e clima e, o tipo de manejo adotado, também podem ter forte influência sobre a taxa de decomposição dos resíduos da colheita. Neste contexto, conduziu-se um experimento de campo em seis diferentes locais do Brasil; Eunápolis-BA, Aracruz- ES, Belo Oriente, Virnigópolis, Três Marias e João Pinheiro - MG. O objetivo foi avaliar as taxas de decomposição dos resíduos de eucalipto e o efluxo de C-CO2 dos solos, adotando-se diferentes manejos. Ao invés de usar litter bags, tubos de policloreto de vinila (PVC) com 15cm de diâmetro e 15 cm de altura foram inseridos até 10 cm de profundidade no solo e, em seguida, foi feita a aplicação dos tratamentos. Os tratamentos consistiram de um fatorial 2x2x3 (com e sem adição de 200 kg/ha de N na forma de nitrato de amônio, com resíduos mantidos a superfície ou incorporados a cinco cm de profundidade, na ausência de resíduos, resíduos sem casca e resíduos com casca). O delineamento experimental utilizado foi em blocos casualizados com parcelas subdivididas no tempo, em quatro repetições. Os tubos permaneceram no campo durante 0, 90, 180 e 365 dias, ocasiões em que foram escavados, transportados imediatamente para o laboratório e incubados em sala de respirometria para a avaliação da evolução de C-CO2. A contribuição dos resíduos de eucalipto para o CO2 respirado foi feita com base na variação natural da razão 13C/12 C-CO2. Posteriormente, os resíduos foram separados do solo, secos à temperatura de 65 ºC e, pesados para a mensuração da matéria seca remanescente (MSREM) nos quatro tempos avaliados. Equações exponenciais foram ajustadas aos dados de MSREM, as quais possibilitaram estimar os tempos médios de meia-vida (t1/2) do resíduo no campo. Observou-se que nas regiões onde o solo é arenoso, a taxa de decomposição dos resíduos da colheita de eucalipto foi maior, a estabilização do C derivado do resíduo menor e os teores de C e N lábeis menores. A adubação nitrogenada resultou em menor contribuição do resíduo de eucalipto para o efluxo de C-CO2 (resultando em maior estabilização do C derivado do resíduo) e maiores teores de N lábil. A incorporação de resíduos de eucalipto ao solo acelerou sua decomposição e, na ausência de casca, aumentou a contribuição do resíduo para o CO2 respirado, apontando para menor estabilização desses nos solos. A presença de casca resultou em maior evolução de C-CO2, mas, reduziu a contribuição dos resíduos para o C-CO2 respirado, indicando maior estabilização do C do resíduo na MOS, especialmente nos solos mais arenosos.The eucalypt plantations generate a large amount of residues after the tree harvest. The residues, when left on the soil may become a potential contributor to the C fraction of soil organic matter, or CO2 to the atmosphere. The Residue decomposition is complex and it leads to causes changes in the chemical composition and in the microorganism succession that is able to use the residue with distinct compositions. In addition, the soil and climate characteristics and the tillage adopted may have strong influence on the decomposition rate of the harvest residue. In this context, a field experiment was carried out at six different locations in Brazil: Eunápolis-BA, Aracruz-ES, Belo Oriente, Virnigópolis, Três Marias e João Pinheiro - MG. The purpose was to evaluate the decomposition rate of the eucalyptus residues and the soil C-CO2 efflux under different managements tillage. Instead of using litter bags, tubes of polyvinyl chloride (PVC) with 15 cm of diameter and 15 cm length, were inserted 10 cm deep into the soil, and then, the treatments applied. The treatments consisted of a 2x2x3 factorial combinations (with and without the addition of 200 kg/ha of N as ammonium nitrate with residue kept on the surface or incorporated in the soil at a depth of 5 cm, in the absence of residue, residue with or without. The experimental design was randomized blocks with plots split in time, with four repetitions. The tubes were kept in the field during 0, 90, 180 e 365 days, occasions at which they were excavated, immediately transported to the laboratory and incubated in a respirometry room, so that the evolution of de C-CO2 could be assessed. The eucalypt residues contribution to respired CO2 was estimated based on the natural variation of 13C/12C-CO2. Subsequently, the residue was separated from the soil, dried at 65 ºC and weighted to obtain the residual dry matter (MSREM) in the four assessed time intervals. Exponential equations were fitted to the MSREM data, which, enabled the assessment half-life (t1/2) of the residue. It was observed that in regions where the soil is sandy, the rate of the harvest residue decomposition was greater, the stabilization of C derived from the eucalypt residue was smaller and the labile C and N contents were smaller. The N fertilization resulted in a smaller contribution of eucalypt residue to the C- CO2 efflux (resulting in a greater stabilization of residue - derived C) and greater content of labile N. The incorporation of eucalypt residue into the soil accelerated its decomposition and, in the absence of bark, increased the residue contribution to the respired CO2, indicating a smaller stabilization in the soil. The presence of bark resulted in a greater C-CO2 evolution; however, it reduced the contribution of the respired CO2, indicating greater C residue stabilization in SOM, especially in sandier soils.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic

Estoques de carbono e nitrogênio em frações lábeis e estáveis da matéria orgânica de solos sob eucalipto, pastagem e cerrado no Vale do Jequitinhonha - MG

A substituição da vegetação nativa na região de Cerrado por florestas plantadas de eucalipto pode levar a mudanças nos estoques de C e N das diferentes frações da matéria orgânica do solo (MOS). Contudo, a intensidade e a direção da mudança nos teores de MOS dependem do tipo de solo, clima e manejo da área plantada. O objetivo deste trabalho foi determinar o efeito do plantio de eucalipto nos estoques de C e N em frações lábeis e estáveis da MOS em região de Cerrado no Vale do Jequitinhonha, MG. O estudo foi desenvolvido utilizando-se amostras de solos provenientes de povoamentos de Eucalyptus urophylla e de áreas adjacentes com vegetação natural de Cerrado e cultivo de pastagem. Para o plantio do eucalipto, a vegetação do Cerrado foi cortada, a lenha removida e os resíduos enleirados e queimados. As plantações de eucalipto com 20 anos apresentaram teores de carbono orgânico total (COT) similares aos da vegetação de Cerrado e pastagem. Nas frações ácido húmico e ácido fúlvico (FAH e FAF), os teores de C foram de 16,6 e 17,5 % maiores para o solo de eucalipto em comparação com os solos da pastagem, e 17,5 e 36,9 % com os solos do Cerrado, respectivamente. O cultivo do eucalipto não reduziu o estoque de C e N da biomassa microbiana do solo (BMS) em comparação com a do Cerrado e pastagem, e proporcionou incremento nas quantidades de C e N na matéria orgânica leve (MOL), o que contribuiu para o aumento da MOS. A contribuição do C derivado do eucalipto para a MOS, após 20 anos de cultivo, foi de 5 %. Isso indica uma baixa taxa de substituição do C nativo pelo C derivado do eucalipto, com uma média anual de 0,25 %. Assim, a substituição da vegetação nativa do Cerrado por eucalipto não resultou na diminuição do estoque de C nas frações FAH, FAF, MOL e BMS da MOS

Soil carbon and nitrogen stocks in sugarcane systems by Bayesian conditional autoregressive model – an unbiased prediction strategy

Spatially dependent data are predominant in soil science and prone to biased inferences from standard statistical analysis. Thus, the aims of this study were: to model the spatial dependency among soil sampling points using a Bayesian conditional autoregressive (CAR) prior; and to determine the effects of different sugarcane management systems on soil C and N stocks. Four sugarcane sites were evaluated: conventional burned (BSC); unburned (USC); and organic sugarcane for 4 years (O04) and 12 years (O12). A native vegetation forest (NVF) site was used as a reference. The CAR model prediction agreed with the observed results of both soil C and N stocks. The highest predicted soil C and N stocks at 0-30 cm depth were observed for O12 (57.3 and 4.8 Mg ha-1), and the lowest were for BSC (37.6 and 3.0 Mg ha-1). The Bayesian CAR model captured the spatial dependence among soil sampling points and allowed to compare soil C and N stocks of different sugarcane managements. Thus, Bayesian spatial modeling is a novel approach to evaluate soil management practices when performing ad hoc monitoring of soil carbon within contiguous areal units