Macro-Scale Spatial Modeling Reveals the Role of Soil Organic Matter Quality in CO2 Emissions

[Abstract] Carbon dioxide (CO2) emissions from agricultural soils result from the interaction of various factors that regulate the quantity and quality of organic material. Our objective was to assess changes in soil CO2 fluxes following the renewal of degraded pastures using FTIR spectroscopy and a machine learning approach. Additionally, we aimed to understand the spatial distribution of organic compounds obtained from FTIR spectra bands and their correlations with soil attributes. The study was conducted in Selvíria, Mato Grosso do Sul, Brazil, in two areas dedicated to extensive beef cattle farming. Geostatistical grids were established in the study areas to evaluate CO2 emissions, and soil sampling was performed for FTIR spectral analysis and other soil attributes. The semi-quantitative analysis of the CH vibrational region involved spectral deconvolution guided by the positions of the peaks obtained from the second derivative and Gaussian curve fitting. Our results indicate that the relative abundance of compounds related to peaks at 2853 cm−1 and 2923 cm−1 showed linear and spatial correlations with CO2 emissions. Pasture renewal, followed by sorghum cultivation intercropped with Urochloa brizantha, resulted in increased soil pH up to 5.6 and reduced concentrations of compounds related to the aliphatic CH band. This management practice also led to a decrease in CO2 emissions to a range of 0.94 to 0.97 μmol m−2 s−1. The CH2 index, calculated as the ratio of peaks at 2853 cm−1 and 2923 cm−1, exhibited similar changes and could serve as an indicator of soil organic matter loss and CO2 emissions in these systems. Our findings suggest that FTIR organic compounds are spatially dependent and coupled with a machine learning approach is sensitive to distinguish chemical changes in soil organic groups and predict soil CO2 emissions

Atributos físico-hídricos do solo em sistema integrado de produção com diferentes arranjos do componente florestal paricá

The objective of this work was to compare the structural quality and water retention curve of a Haplustox under single, double, and triple “paricá” (Ochroma pyramidale) lines in an integrated production system at 50 months of implantation. Soil was collected from five sampling points considering the distances from the tree lines. Undisturbed samples were collected from the 0.00–0.10 and 0.10–0.20-m layers in order to assess porosity, density, soil penetration resistance, soil water retention curve, and the “S” index. The forest arrangement based on three paricá lines promoted better soil physical conditions than the system using single lines. The main changes were recorded in the 0.10–0.20-m layer, with increased microporosity and decreased cryptoporosity and resistance to penetration. The arrangements using single and double paricá lines result in higher volume of available water and greater soil compaction.O objetivo deste trabalho foi comparar a qualidade estrutural e a curva de retenção de água de um Latossolo Vermelho-Amarelo sob arranjos de linhas simples, duplas e triplas de paricá (Ochroma pyramidale), em um sistema integrado de produção com 50 meses de implantação. O solo foi coletado em cinco pontos de amostragem em relação à distância do renque das árvores. Foram coletadas amostras indeformadas nas camadas de 0,00–0,10 e 0,10–0,20 m para avaliar porosidade, densidade, resistência do solo à penetração, curva de retenção de água no solo e índice “S”. O arranjo florestal com três linhas de paricá promoveu melhores condições físicas ao solo em comparação ao renque de linha simples. As principais alterações ocorreram na camada de 0,10–0,20 m, com aumento da microporosidade e diminuição da criptoporosidade e da resistência à penetração. Os arranjos com paricá em linhas simples e dupla resultam em maiores volumes de água indisponíveis e compactação ao solo

Biogeoquímica de arsênio e chumbo em sedimento e água condicionado com biocarvão

Potentially toxic elements (PTEs), such as arsenic (As) and lead (Pb), constantly cause the development of diseases in living beings due to the continuous ingestion of water and food with high levels of these elements. Daily anthropogenic practices, such as domestic, health, industrial, agricultural, and mining activities can contribute to the increase in the concentration of As and Pb in soils and sediments exposed to the Earth\'s surface, and this increases the probability of contact with living beings. Although the occurrence of As and Pb in the environment is not necessarily recent, it has become more relevant in recent decades due to their harmful effects and to the global concern to recover natural resources. To restore the functionality of ecosystems contaminated by As and Pb, the scientific community has sought to use remediation techniques to reduce the bioavailable levels of these elements in soil and water. Among them, the use of biochar has stood out due to its ability to immobilize contaminants, supply nutrients, and store carbon. In situ remediation with biochar is an ecological alternative that can be economically viable when compared to other conventional remediation techniques that generate waste and/or are expensive. Biochar is a product of the pyrolysis of organic compounds, and its effectiveness in immobilizing contaminants depends on the manufacturing conditions, including the pyrolysis temperature. In addition, environmental conditions such as redox fluctuation, other factors as high precipitation, and exposure to weather can alter the potential of biochar to (i)mobilize EPTs in the environment. The following itens were evaluated in this study: (i) the effect of biochar pyrolysis temperature on As and Pb dynamics in sediment exposed to environments with total and partial presence of oxygen; (ii) the biogeochemistry of As and Pb in sediment and water submitted to the application of in natura biochar and modified with ferric chloride; and (iii) effects of dissolved organic carbon (DOC) on the competition for specific sorption sites with As. To evaluate the dynamics of As and Pb, several experiments were carried out with sediment and water contaminated with As and Pb due to mining and ore processing. Samples contaminated with As and Pb were conditioned with biochar from sugarcane straw (Saccharum officinarum) pyrolyzed at 350 (BC350), 550 (BC550), and 750°C (BC750), and the potential competition for sorption sites was evaluated in water samples artificially contaminated with arsenate [As(V)]. Sorption competition was performed in the presence of biogenic iron (Fe) (oxyhydr)oxide (BIOS), which is a Fe(III) biomineral widely known to be a natural sink for As. The pyrolysis temperature played a key role in the physicochemical characteristics of the biochar, and this affected the ability to (i)mobilize As and Pb in sediment and water. The application of biochar reduced the β-glucosidase activity and increased the phosphatase activity, which demonstrates the microbiota\'s difficulty in degrading the carbon in the biochar and, at the same time, its ease in providing hydrolase capable of mineralizing phosphate present in organic forms. The aging time of the biochar caused an increase in the bioavailable and exchangeable contents of As to the same extent that it reduced the bioavailable and exchangeable contents of Pb. The increase in bioavailable and exchangeable As contents were related to changes in carbon pools caused by surface oxidation of biochar and by biodegradation promoted by microorganisms. In environments with high precipitation, biochar application increased As release and mobility without affecting As species distribution. The chemical modification of biochar, as a way to improve a water filter, increased the speed and sorption capacity of As and Pb and made biochar modified with ferric chloride a promising alternative for filtering water contaminated with these elements. The presence of DOC from biochar was able to reduce As(V) sorption in BIOS by up to 30%. However, the presence of DOC did not alter As(V) sorption mechanisms in BIOS, which shows that site blocking the main mechanism responsible for reducing As(V) sorption. The biochar was able to reduce the mobility of As in the sediment under environments with partial presence of oxygen. In addition to the change in the mobility of As and Pb, it was verified that the supply of biochar to the sediment considerably increased the DOC content in the solution, which possibly buffered the assimilative biotic reduction of Fe(III) and As(V) and reduced the As methylation.Elementos potencialmente tóxicos (EPTs), como arsênio (As) e chumbo (Pb), constantemente ocasionam o desenvolvimento de doenças em seres vivos devido à ingestão contínua de água e alimentos com teores elevados desses elementos. Práticas antropogênicas diárias, como atividades domésticos, de saúde, industriais, agrícolas e de mineração podem contribuir para aumento da concentração de As e Pb em solos e sedimentos expostos à superfície terrestre, e isso aumenta a probabilidade de contato com os seres vivos. Embora a ocorrência de As e Pb no meio ambiente não seja necessariamente recente, ela se tornou mais relevante nas últimas décadas devido ao seu efeitos nocivo e à preocupação global em recuperar recursos naturais. Como forma de retomar a funcionalidade de ecossistemas contaminados por As e Pb, a comunidade científica tem buscado utilizar técnicas de remediação que visam a reduzir os teores biodisponíveis desses elementos no solo e na água. Dentre elas, tem se destacado o uso de biocarvão devido à sua capacidade de imobilização de contaminantes, fornecimento de nutrientes e estoque de carbono. A remediação in situ com biocarvão é alternativa ecológica e que pode ser economicamente viável quando comparada a outras técnicas convencionais de remediação que geram resíduos e/ou são de alto custo. O biocarvão é um produto da pirólise de compostos orgânicos, e sua efetividade na imobilização de contaminantes está condicionada às condições de fabricação, dentre elas a temperatura de pirólise. Além disso, as condições ambientais como flutuação redox, elevada precipitação e exposição ao tempo são fatores que podem alterar o potencial do biocarvão em (i)mobilizar EPTs como As e Pb no ambiente. Neste trabalho foram avaliados (i) o efeito da temperatura de pirólise do biocarvão na dinâmica de As e Pb em sedimento exposto a ambientes com presença total e parcial de oxigênio; (ii) a biogeoquímica de As e Pb em sedimento e água submetidos a aplicação de biocarvão in natura e modificado com cloreto férrico; e (iii) efeitos do carbono orgânico dissolvido (COD) na competição por sítios específicos de sorção com As. Para avaliar a dinâmica de As e Pb, foram realizados diversos experimentos com sedimento e água contaminada com As e Pb devido à atividade antropogênica associada à mineração e beneficiamento de minério. As amostras contaminadas com As e Pb foram condicionadas com biocarvão de palha de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) pirolisado a 350 (BC350), 550 (BC550) e 750°C (BC750), enquanto a potencial competição por sítios de sorção foi avaliada em amostras de água contaminadas artificialmente com arsenato [As(V)]. A competição por sorção foi realizada na presença de oxihidróxidos de ferro (Fe) biogênico (BIOS), que é um biomineral de Fe(III) amplamente conhecido por ser sumidouro natural de As. A temperatura de pirólise exerceu papel fundamental nas características fisico-químicas do biocarvão, e isso afetou a capacidade de (i)mobilização de As e Pb em sedimento e água. A aplicação de biocarvão reduziu a atividade da β-glicosidase e aumentou a atividade da fosfatase, o que evidencia a dificuldade da microbiota em degradar o carbono do biocarvão, assim como sua facilidade em fornecer hidrolase capaz de mineralizar fosfato presente em formas orgânicas. O tempo de envelhecimento do biocarvão ocasionou aumento nos teores biodisponíveis e trocáveis de As, na mesma medida em que reduziu os teores biodisponíveis e trocáveis de Pb. O aumento dos teores biodisponíveis e trocáveis de As esteve relacionado às mudanças nos reservatórios de carbono ocasionados pela oxidação de superfície do biocarvão e pela biodegradação promovida pelos microorganismos. Em ambientes com elevada precipitação, a aplicação de biocarvão aumentou a liberação e a mobilidade de As sem afetar a distribuição das espécies de As. A modificação química do biocarvão, como forma de aperfeiçoar um filtro de água, aumentou a velocidade e capacidade de sorção de As e Pb e tornou o biocarvão modificado com cloreto férrico uma alternativa promissora para filtro de água contaminada com esses elementos. A presença do DOC do biocarvão foi capaz de reduzir em até 30% a sorção de As(V) em BIOS. No entanto, a presença de DOC não alterou os mecanismos de sorção de As(V) em BIOS, o que mostra que o principal meio responsável pela redução da sorção de As(V) é o bloqueio de sítio. Já no sedimento em ambientes com presença parcial de oxigênio, o biocarvão foi capaz de reduzir a mobilidade de As. Além da mudança na mobilidade de As e Pb, verificou-se que o fornecimento de biocarvão ao sedimento aumentou consideravelmente o teor de DOC em solução, o que possivelmente tamponou a redução biótica assimilativa de Fe(III) e As(V) e reduziu a metilação de As

DESEMPENHO DE CULTIVARES DE FEIJOEIRO IRRIGADO NO ECÓTONO CERRADO-AMAZÔNIA

O uso da irrigação por pivô central favorece o cultivo do feijoeiro de terceira safra, contudo, limitações à produtividade são observadas quando cultivados em sistema de semeadura direta, sendo a compactação superficial, incidência de nematoides e variabilidade espacial vertical e horizontal dos nutrientes do solo os principais fatores limitantes deste sistema. O objetivo do estudo foi avaliar o desempenho de cultivares de feijoeiro irrigado em terceira safra, cultivados em sistema de semeadura direta e sua correlação com a fertilidade do solo e incidência de nematoides na região de ecótono Cerrado-Amazônia. O experimento foi desenvolvido no município de Sorriso-MT em um Latossolo Vermelho-Amarelo Distrófico. Os tratamentos foram constituídos por quatro cultivares de feijão, sendo eles: BRS Estilo, BRS Notável, BRS Ametista e BRS Pérola, em uma área total de 9900 m2, onde se determinou através de 83 pontos amostrais georreferenciados os atributos de planta e atributos químicos do solo. Os procedimentos estatísticos utilizados foram: análise descritiva dos dados, análise geoestatística e comparação de médias pelo método “bootstrap”. A maioria dos atributos apresentaram moderada à alta dependência espacial, com elevada variabilidade espacial. O aumento dos teores de potássio gerou incrementos na produtividade, enquanto que o aumento da incidência de nematoides, acidez potencial e saturação de alumínio no solo resultaram em redução. A maior produtividade observada foi da cultivar BRS Pérola, indicando boa aptidão para cultivo nesta região.Palavras-chave: Phaseolus vulgaris L., fertilidade do solo, nematóide, geoestatística. PERFORMANCE OF IRRIGATED BEAN CULTIVARS IN THE CERRADO-AMAZONIAN ECOTONE ABSTRACT: The use of central pivot irrigation favors third-crop bean cultivation, however, productivity limitations are observed when cultivated in a no-tillage system, with surface compaction, nematode incidence and vertical and horizontal spatial variability of soil nutrients, main limiting factors of this system. The objective of this study was evaluate the performance of third-crop irrigated bean cultivars grown under no-tillage system and the correlation with soil fertility and nematode incidence in the Cerrado-Amazonian ecotone region. The experiment was developed in the Sorriso-MT county in a Dystrophic Red Yellow Latosol. The treatments consisted of four bean cultivars: BRS Estilo, BRS Notável, BRS Ametista and BRS Pérola, in a total area of 9900 m2, where soil chemical and plant attributes were determined through 83 georeferenced sampling points. The statistical procedures used were: descriptive analysis of the data, geostatistical analysis and comparison of means by the “bootstrap” method. Most of the attributes presented moderate to high spatial dependence, with high spatial variability. The increase of potassium contents generated increases in productivity, while the increase in the incidence of nematodes, potential acidity and aluminum saturation in the soil resulted in a reduction. The highest productivity observed was of the cultivar BRS Pérola, indicating good aptitude for cultivation in this region.Keywords: Phaseolus vulgaris L., soil fertility, nematode, geoestatistics

DESEMPENHO DE CULTIVARES DE FEIJOEIRO IRRIGADO NO ECÓTONO CERRADO-AMAZÔNIA

O uso da irrigação por pivô central favorece o cultivo do feijoeiro de terceira safra, contudo, limitações à produtividade são observadas quando cultivados em sistema de semeadura direta, sendo a compactação superficial, incidência de nematoides e variabilidade espacial vertical e horizontal dos nutrientes do solo os principais fatores limitantes deste sistema. O objetivo do estudo foi avaliar o desempenho de cultivares de feijoeiro irrigado em terceira safra, cultivados em sistema de semeadura direta e sua correlação com a fertilidade do solo e incidência de nematoides na região de ecótono Cerrado-Amazônia. O experimento foi desenvolvido no município de Sorriso-MT em um Latossolo Vermelho-Amarelo Distrófico. Os tratamentos foram constituídos por quatro cultivares de feijão, sendo eles: BRS Estilo, BRS Notável, BRS Ametista e BRS Pérola, em uma área total de 9900 m2, onde se determinou através de 83 pontos amostrais georreferenciados os atributos de planta e atributos químicos do solo. Os procedimentos estatísticos utilizados foram: análise descritiva dos dados, análise geoestatística e comparação de médias pelo método “bootstrap”. A maioria dos atributos apresentaram moderada à alta dependência espacial, com elevada variabilidade espacial. O aumento dos teores de potássio gerou incrementos na produtividade, enquanto que o aumento da incidência de nematoides, acidez potencial e saturação de alumínio no solo resultaram em redução. A maior produtividade observada foi da cultivar BRS Pérola, indicando boa aptidão para cultivo nesta região.Palavras-chave: Phaseolus vulgaris L., fertilidade do solo, nematóide, geoestatística. PERFORMANCE OF IRRIGATED BEAN CULTIVARS IN THE CERRADO-AMAZONIAN ECOTONE ABSTRACT: The use of central pivot irrigation favors third-crop bean cultivation, however, productivity limitations are observed when cultivated in a no-tillage system, with surface compaction, nematode incidence and vertical and horizontal spatial variability of soil nutrients, main limiting factors of this system. The objective of this study was evaluate the performance of third-crop irrigated bean cultivars grown under no-tillage system and the correlation with soil fertility and nematode incidence in the Cerrado-Amazonian ecotone region. The experiment was developed in the Sorriso-MT county in a Dystrophic Red Yellow Latosol. The treatments consisted of four bean cultivars: BRS Estilo, BRS Notável, BRS Ametista and BRS Pérola, in a total area of 9900 m2, where soil chemical and plant attributes were determined through 83 georeferenced sampling points. The statistical procedures used were: descriptive analysis of the data, geostatistical analysis and comparison of means by the “bootstrap” method. Most of the attributes presented moderate to high spatial dependence, with high spatial variability. The increase of potassium contents generated increases in productivity, while the increase in the incidence of nematodes, potential acidity and aluminum saturation in the soil resulted in a reduction. The highest productivity observed was of the cultivar BRS Pérola, indicating good aptitude for cultivation in this region.Keywords: Phaseolus vulgaris L., soil fertility, nematode, geoestatistics

PHYSICAL-CHEMICAL QUALITY OF A LATOSSOL UNDER DIRECT SEEDING AND SOYBEAN-CORN SUCCESSION IN THE CERRADO-AMAZONIAN ECOTONE

The soybean-corn succession in no-tillage system (DSS) is the most common cultivation practice in the state of Mato Grosso. Soils submitted to this type of system are prone to the formation of fertility gradients and surface compaction, restricting crop productivity. The objective of this work was to evaluate the physical-chemical attributes of an Oxisol after 11 years of continuous succession of soybean and corn in direct seeding, using geostatistical analysis techniques and main components. The experiment was conducted at the Chão Nativo farm located in the municipality of Sinop, Mato Grosso, Cerrado-Amazonian ecotone. For this, a rectangular mesh was installed with 103 sampling points distributed in an area of 7.02 ha, in which the grain yield of the soybean was determined as well as the physical and chemical attributes of the soil in the layers 0-10 and 0.10 - 0.20 m. Soybean showed a grain yield between 2.83 and 3.70 Mg ha-1, which was positively correlated with the spatial distribution of pH, phosphorus and potassium. The soil presented low physical quality due to high soil resistance to penetration and macroporosity less than 10%; however, no spatial correlation of physical attributes with soybean yield was observed

Physical-hydraulic soil attributes in an integrated production system with different “paricá” forest component arrangements

<div><p>Abstract: The objective of this work was to compare the structural quality and water retention curve of a Haplustox under single, double, and triple “paricá” (Ochroma pyramidale) lines in an integrated production system at 50 months of implantation. Soil was collected from five sampling points considering the distances from the tree lines. Undisturbed samples were collected from the 0.00-0.10 and 0.10-0.20-m layers in order to assess porosity, density, soil penetration resistance, soil water retention curve, and the “S” index. The forest arrangement based on three paricá lines promoted better soil physical conditions than the system using single lines. The main changes were recorded in the 0.10-0.20-m layer, with increased microporosity and decreased cryptoporosity and resistance to penetration. The arrangements using single and double paricá lines result in higher volume of available water and greater soil compaction.</p></div