Carbon transference from eucalypt harvest residues to soil organic matter fractions

Os plantios de eucalipto no Brasil vêm aumentando sistematicamente e a retirada de material mais lignificado como cascas e galhos da área de cultivo, após a colheita de madeira, pode desfavorecer a estabilização de C em frações estáveis da matéria orgânica do solo (MOS). Esses materiais são tidos como recalcitrantes devido à presença de compostos químicos recalcitrantes, se tornando pouco acessíveis ao ataque microbiano, retardando sua decomposição. É conhecido que resíduos de cascas e galhos de eucalipto são eficazes no que se diz respeito à manutenção de cobertura morta, atuando como barreira contra erosão e redução da compactação pelas máquinas de baldeio de madeira. No entanto, pouco se conhece sobre a efetividade desses resíduos em repor a MOS, bem como os fatores que alteram a estabilização, desses materiais em suas frações. A qualidade do substrato é componente chave na decomposição e, possivelmente, na estabilização da MOS, sendo as taxas de decomposição conseqüência do tipo e concentração relativa de alguns componentes químicos nos resíduos. Além disso, a presença de N, no solo, pode auxiliar a estabilização de C em frações da MOS. Assim, o presente trabalho teve como objetivo determinar os teores de C bem como avaliar o efeito da maior disponibilidade de N na eficiência de conversão de C de diferentes componentes de plantas de eucalipto em frações lábeis e estáveis da MOS com base na variação da abundância natural do 13C. O experimento foi montado em sala de incubação (25 ºC) utilizando-se solo coletado em área predominantemente sob pastagem (Brachiaria brizantha) no município de Paula Cândido-MG e resíduos de colheita do híbrido Eucalyptus grandis x E. urophylla coletados em área experimental no município de Aracruz-ES. O experimento consistiu de um fatorial 6 x 2 x 6, referente a cinco resíduos de eucalipto (folhas, galhos, cascas, raízes, e resíduos combinados) mais a testemunha (sem adição de resíduo ou N), presença (50 mg dm-3) ou ausência de N em seis tempos de incubação (0, 15, 30, 60, 120 e 240 dias). Os resíduos foram aplicados ao solo com o equivalente a 20 g kg-1 de C no solo. A fonte de N foi diluída em água deionizada a fim de elevar a umidade do solo a 80 % EU, individualmente. A aplicação de resíduos de eucalipto ao solo aumenta os teores de C na BMS, e a adubação nitrogenada favorece o rápido crescimento microbiano, principalmente quando se adicionam resíduos de folhas. A adição de resíduos, especialmente casca e galho e combinado de resíduos, altera o padrão de alocação do C derivado do resíduo no solo, favorecendo sua estabilização na fração humina em detrimento da fração ácidos húmicos. A adição de N não favorece o aumento nos teores de C nas substâncias húmicas do solo mas favorece a ciclagem do C da fração leve quando se aplicam resíduos lábeis (folhas) e reduz a sua decomposição quando da aplicação de resíduos mais recalcitrantes (cascas, galhos e raízes). A presença do N auxilia na estabilização de C provenientes de resíduos de eucalipto, com maior freqüência em tratamentos com resíduos de maior recalcitrância (cascas e raízes). O resíduo de casca de eucalipto quando adicionado ao solo foi mais eficiente em estabilizar C na fração pesada da MOS. Das frações húmicas do solo, a fração humina foi onde se estabilizou a maior proporção do C derivado dos resíduos de eucalipto, principalmente cascas e galhos.Eucalypt plantation areas in Brazil have increased continuously over the years. The practice of removing more lignified material, such as bark and branches, from the ground after wood harvesting in eucalypt forests may prevent the stabilization of carbon (C) in recalcitrant fractions of soil organic matter (SOM). The recalcitrance of such organic fractions is due to the presence of chemical compounds which are toxic to soil microorganisms, thus delaying the decomposition of stable SOM. It is well known that the residues of eucalypt bark and branches is effective in maintaining a protective mulch against soil erosion and the compaction of soils by harvesting machines. Little is known about the effectiveness of this more resistant material in increasing SOM levels, as well as about the factors which may influence its stabilization. The chemical quality of the available substrates markedly influences SOM decomposition and, possibly, its stabilization, and decomposition rates are a consequence of the type and relative concentration of some of the chemical compounds in residues. Nitrogen (N) status in soil may also influence C stabilization in SOM fractions. This work aimed at determining C levels in different eucalypt plant parts and evaluating the effect of higher N availability in C conversion efficiency from those plat parts to SOM labile and stable fractions based on the natural abundance of 13C. The experiment was set up in na incubation room (25°C) with soil collected in na area under pasture (Brachiaria brizantha) from the town of Paula Cândido, Minas Gerais State, and harvest residues of the eucalypt hybrid Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla from Aracruz, Espírito Santo State. The experiment was designed as randomized blocks, in a 6 x 2 x 6 factorial, which consisted of five residue treatments (no residues or N, leaves, branches, bark, roots, and a mixture of residues), two N treatments (no N, and the application of 50mg dm-3 N), and six incubation periods (0, 15, 30, 60, 120, and 240 days). The quantity of residues applied to soil was equivalent to the application of 20g kg-1 of C to soil. The N source was dissolved in deionized water so to increase soil water content to 80% HE. The application of eucalypt residues to soil favored a fast increase in soil microbial biomass (SMB) C, and nitrogen fertilization favored fast microbial growth, especially when leaves residues are added. Residue application, especially bark, branches and the mixture of residues, alters the allocation pattern of C derived from the residues on soil, favoring its stabilization in the humin fraction, apparently reallocated from humic acids. Nitrogen application did not favor the increase of C levels in soil humic substances but favored the cycling of C from the light fraction when labile residues (leaves) were applied and decreased its decomposition when more recalcitrant residues (bark, branches, and roots) were applied. Nitrogen application helps to stabilize C from eucalypt residues, especially in treatments with more recalcitrant residues. Eucalypt bark residue application was more effective in stabilizing C in SOM heavy fraction. Most of the residue derived C, mainly from bark and branches, was stabilized in soil humin fraction

Soil organic matter dynamics in rehabilitation process after bauxite mining

A atividade de mineração gera grandes impactos ao meio ambiente, principalmente aos organismos e processos do solo. O principal componente associado a esses impactos se deve a remoção da camada superficial do solo e armazenamento desta camada por um longo período antes da reabilitação. Desta forma, estudos que incluam indicadores que dependem da atividade biológica, tais como velocidade de decomposição de serapilheira, atividade microbiana e compartimentos mais lábeis da MOS, são indispensáveis visto que podem responder mais rápido ao uso e manejo do solo. O objetivo deste estudo foi avaliar as alterações de componentes bioquímicos da matéria orgânica do solo, causadas pelo processo de mineração, ao longo do tempo de reabilitação. Esse estudo foi realizado no município de Itamarati de Minas MG em áreas em processo de reabilitação com pastagem e arbóreas nativas por diferentes períodos pósmineração de bauxita (0, 1, 3, 5 e 12 anos) e para efeito de comparação foram escolhidas áreas pareadas não-mineradas referencias do uso antes da mineração. As parcelas foram marcadas no campo com quatro repetições por tempo e vegetação totalizando 80 parcelas, e o solo coletado na camada de 0-10 e 10-20 cm. Foram analisados, florística; matéria seca de raízes, pastagem e serapilheira; polifenóis e polissacarídeos do solo, raízes, pastagem e serapilheira; carbono orgânico total (COT); nitrogênio total (NT); carbono e nitrogênio lábil (C e N-lábil); índice de manejo de carbono (IMC); carbono da biomassa microbiana (CBMS); evolução C-CO2; quociente metabólico (qCO2) e quociente microbiano (qMIC). O levantamento florístico das áreas de mata em reabilitação (MR) e mata nativa não minerada (MN) indicaram um total de 57 espécies sendo 14 da família Fabaceae. A quantidade de raízes nos sistemas em processo de reabilitação foi menor do que em áreas não-mineradas. Igualmente observado para produção de serapilheira onde a MR foi menor que MN mas, não havendo diferenças em sites sob pastagem. Os teores de polifenóis na PR apresentaram menores valores quando comparados à área não-minerada (PP) até o terceiro ano do processo de reabilitação se igualando no quinto ano. Já na serapilheira, das áreas de mata, nos primeiros anos não foi observada diferença entre a MR e MN, sendo que aos 12 anos do processo de reabilitação a MR apresentou valores mais elevados se comparados à MN, causado pela morte de árvores pioneiras na MR e incremento de material mais recalcitrante. Houve queda acentuada nos estoques de COT na PR e MR nos primeiros anos do processo de reabilitação, com recuperação observada à partir dos 5 anos nas áreas de pasto e aos 12 anos nas áreas de mata, em relação à vegetação referência. Os estoques de NT na PR se igualou aos estoques da PP aos 12 anos na camada superficial e aos 3 anos na camada subjacente. Nas áreas de MR não houve recuperação dos estoques de NT, na camada superficial do solo, em relação à mata nativa. O C-lábil se mostrou indicador mais sensível às mudanças de manejo do solo do que o Nlábil, recuperando seus estoques a partir do quinto ano nas áreas de PR e MR. Houve aumento no IMC do solo a partir do quinto ano do processo de reabilitação na PR e MR, caindo aos 12 anos na PR devido ao manejo inadequado da pastagem. A recuperação dos estoques de CBMS ocorreu aos três anos do processo de reabilitação. Contudo houve queda nos estoques de CBMS na mata nativa aos 12 anos do processo de reabilitação. Houve grande variação na taxa de liberação de C_CO2, nas áreas de pastagem e menores taxas nas áreas reabilitadas com arbóreas nativas. Os valores de quociente metabólico e quociente microbiano evidenciaram a condição de estresse da comunidade microbiana em áreas em processo de reabilitação. Principalmente nas áreas em processo de reabilitação com arbóreas nativas comparativamente á mata nativa de áreas não-mineradas.Mining activity causes large impacts on the environment, especially on soil organisms and soil processes. The main component associated with these impacts is attributable to the removal of the topsoil layer and the topsoil storage for a long period before rehabilitation. Thus, studies that include indicators that depend on biological activities such as litterfall decomposition rates, microbial activity and more labile compartments of the soil organic matter are essential as they can get a faster response from soil use and management. The aim of this study is to evaluate changes in biochemical components of the soil organic matter caused by mining process along rehabilitation period. This study was conducted in the municipal district of Itamaraty, Minas Gerais, Brazil , in areas of pasture and native trees undergoing different periods of rehabilitation process after bauxite mining (0, 1, 3, 5 and 12 years). References of use of non-mined gauged areas before mining were chosen for comparison purpose. Eighty plots were marked in the field with four repetitions per vegetation and time period. Soil samples at 0-10 and 10-20 cm depth were collected per site. Analyses of floristic composition, dry root matter, pasture and litterfall, polyphenols and polysaccharides in the soil matter, roots, total organic carbon, total nitrogen, labile carbon and nitrogen, carbon management index, microbial carbon biomass, C-O2 evolution; metabolic quotient and microbial quotient were made. A floristic survey of ongoing forest rehabilitation areas and non-mined native forest areas has indicated a total of 14 among 57 species belonging to Fabaceae family. The amount of roots found in the systems undergoing rehabilitation was lower than the amount found in non-mined areas. Equally, it was observed that where ongoing forest rehabilitation areas was lower than non-mined native forest areas there were no differences in pasture litterfall production sites. Polyphenols contents in rehabilitated pasture compared to nonmined area showed lower values until the third year of rehabilitation process and equal values in the fifth year. By contrast, there was no difference between ongoing forest rehabilitation and non-mined native forest areas in forest litterfall areas. Ongoing forest rehabilitation areas has shown higher values compared to non-mined native forest areas values at the twelfth year of rehabilitation process, is attributable to the death of ongoing forest rehabilitation areas pioneer trees and the incrementing of the most recalcitrant matter. There has been a sharp decline in total organic carbon stocks of ongoing forest rehabilitation areas in the early years of rehabilitation process. Concerning the vegetation reference, a recovery was observed in the fifth year starting pasture rehabilitation and in the twelfth year starting forest rehabilitation. Total nitrogen stocks in the ongoing forest rehabilitation areas were equal to cultivated pasture stocks in the surface layer at the twelfth year and in the underlying layer at the third year. In relation to the native forest, there was no recovery of total nitrogen stocks in the surface layer of the soil in the ongoing forest rehabilitation areas. Labile C proved to be a more sensitive indicator of changes in soil management than labile N in the fifth year starting stocks recovery in rehabilitated pasture and ongoing forest rehabilitation areas. There was an increase in soil carbon management index from the fifth year of rehabilitation process in rehabilitated pasture and ongoing forest rehabilitation areas, reducing rehabilitated pasture in the twelve-year period is attributable to inappropriate pasture management. The recovery of microbial carbon biomass stocks happened at the third year of rehabilitation process. However, there was a decrease of microbial carbon biomass bushland tocks at the twelfth-year rehabilitation process. There was wide variation of CO2-C release rates in pasture areas and lower rates in rehabilitated areas with native tree. Microbial metabolic quotient values showed the microbial community stress condition especially in rehabilitation process areas with native trees compared to non-mined native forest areas

Efeito da solução de separação densimétrica na quantidade e qualidade da matéria orgânica leve e na quantificação do carbono orgânico da fração pesada

A matéria orgânica leve tem se mostrado um indicador precoce das mudanças na matéria orgânica do solo (MOS) acarretadas por diferentes usos e sistemas de manejo. Várias soluções são empregadas na sua separação, mas pouco se sabe sobre o efeito delas na quantidade e qualidade da fração extraída, tampouco se conhecem as possíveis interferências que a solução de separação pode ocasionar na posterior quantificação do carbono (C) orgânico. Assim, foram selecionados 20 solos com diferentes teores de argila e que se encontravam sob diferentes usos, onde foram coletadas amostras, em três repetições, na profundidade de 0-20 cm. Depois de secas ao ar, destorroadas, passadas em peneira com malha de 2 mm e homogeneizadas, retiraram-se subamostras para determinação do teor de argila e para realização do fracionamento densimétrico da MOS. Do fracionamento densimétrico com água ou NaI (1,8 kg L-1), foram obtidas a fração leve (FL) e a fração pesada (FP) da MOS. O teor de C da FL foi determinado por combustão via seca, em analisador elementar (CHN), e o teor de C da FP foi determinado por oxidação via úmida com aquecimento externo, segundo Yeomans & Bremner (1988) (Y & B), e em analisador elementar (CHN). Adicionalmente, foi determinado o teor equivalente em C orgânico por via úmida em soluções-padrão com NaI em diferentes concentrações. Foi observado que a quantidade da FL extraída com NaI foi, em média, 4,86 vezes maior em relação à extraída com água destilada. A relação C:N da fração extraída com NaI foi, em média, 1,85 vez superior à apresentada pela extração com água destilada, mas com grande variação entre solos. Com relação à FP da MOS, o teor de C determinado por Y & B foi similar quando se procedeu à separação densimétrica com água, mas foi cerca de 1,5 vez superior ao determinado pelo CHN quando esta fração foi separada com NaI, indicando que houve superestimação do teor de C orgânico devido à interferência do NaI. Esse fato foi confirmado pelo aumento linear no consumo de Cr2O7-2 quando da presença de concentrações crescentes de NaI em soluções isentas de C. Dessa forma, a extração com NaI recupera maior proporção da FL, mas que difere em qualidade daquela extraída com água. Além disso, algum possível resíduo de NaI usado na separação pode interferir na quantificação do C orgânico quando este for determinado por dicromatometria. Resultados de estudo adicional sugerem que cada mol de I- consome aproximadamente 1 mol de Cr2O7-2

Effect of mineral nitrogen on transfer of 13C-Carbon from Eucalyptus harvest residue components to soil organic matter fractions

The amount of harvest residues retained in Eucalyptus plantations strongly influences soil organic matter (SOM), but the efficiency of conversion to SOM may vary according to the type of residue. This study evaluated the recovery of C from Eucalyptus residue components - leaves, bark, branches, roots, and a mix of all residues - in different SOM fractions with or without mineral-N supplementation (200 mg kg-1 of N). Variation in natural 13C abundance was used to trace the destination of residue-derived C in the soil. The C content of the light fraction (LF) and heavy fraction (HF) of SOM increased over a 240-days decomposition period in response to incorporation of Eucalyptus residues in the soil. Bark and leaf residues showed the best results. Bark residues increased the C content of the HF by 45 % over the initial condition. Leaf residues made the largest contribution to LF-C, increasing it by 8.6 times. Leaf residues also led to the highest N contents in the LF and HF, whereas branches, roots, and the mixture of residues caused significant net transfers of N from the HF. Mineral-N supplementation had no effect on stabilization of organic C in the HF of SOM, in which the C could be maintained for longer periods due to physical/colloidal protection against microbial decomposition. These results highlight the importance of keeping Eucalyptus harvest residues in the planted area, especially the bark, which is the most abundant harvest residue component under field conditions, for maintenance of SOM