Sewage sludge-based fertilizer and its effects on soil micronutrients availability and carbon quantity and quality in a no-tillage system in the brazilian Cerrado

Abstract

The recycling of composted sewage sludge (CSS) in agriculture has been an alternative to reduce the dependence on mineral fertilizers and environmental pressures. CSS has considerable amounts of organic matter (OM) and nutrients, with the possibility of being used as an organic fertilizer. When CSS is associated with conservation systems, such as the no-tillage system (NT), it can contribute to improving soil health, especially in areas of intense cultivation and naturally infertile soils in the Brazilian Cerrado. CSS applications can provide adequate nutrient cycling in the soil, increasing crop yield and carbon (C) stocks. However, the increase in metals such as copper (Cu), manganese (Mn), and zinc (Zn) even though they are essential to plants must be monitored to optimize doses and reduce the impacts of CSS use on the soil-plant system. Nevertheless, information on successive CSS applications and their effects on C quantity and quality, as well as the availability of micronutrients in soils of the Cerrado region cultivated under NT, is still scarce. Given the scarcity of data, this research aimed to evaluate the effects of successive CSS applications in a crop rotation system on C dynamics, micronutrient fractionation, and agronomic performance. The field experiment, conducted in Selvíria (MS) under a randomized block design, was structured into two studies. Study (I) tested, over six years of cultivation, five CSS doses (0 to 12.5 Mg ha⁻¹) applied in years 1, 2, and 5. The available and total contents of Cu, Mn, and Zn in the soil (0–0.2 m) were monitored, as well as the distribution of these nutrients among mobile, exchangeable, Mn and Fe oxide-bound, organic matter-bound, and residual fractions. Study (II) analyzed, in the sixth year, C stocks and fractionation, microbial and enzymatic activity at different depths under accumulated CSS doses (22.5 and 37.5 Mg ha⁻¹), comparing them to mineral fertilization and native vegetation. Approximately 85% of the Cu, Mn, and Zn contents are bound to the residual fraction in the soil. CSS increased the availability of Cu and Zn in the soil by up to 67% and 600%, respectively, at the dose of 12.5 Mg ha⁻¹. Total Cu and Mn contents showed a quadratic response, with slight reductions at the maximum dose. Maize and wheat yields correlated positively with Cu and Zn availability. Regarding C dynamics, the accumulated dose of 37.5 Mg ha⁻¹ increased SOC (Soil Organic Carbon) contents by 31% and MAOM (Mineral-Associated Organic Matter) by 19% in the 0.1–0.2 m layer, in addition to increasing microbial biomass (61.23 µg g⁻¹) and reducing the C saturation deficit in the MAOM fraction by 5%. The wheat-soybean system results were close to those of the mineral fertilizer treatment. It is concluded that CSS application, associated with NT, constitutes an agronomically effective and environmentally safe strategy for carbon sequestration and the supply of Cu, Mn, and Zn. The practice promotes soil quality and maintains food security, aligning with the Sustainable Development Goals (UN Agenda 2030); however, the long-term sustainability of the system depends on the continuous monitoring of metals in the soil-plant system.

A reciclagem do lodo de esgoto compostado (CSS) na agricultura tem sido uma alternativa para reduzir a dependência de fertilizantes minerais e pressões ambientais. O CSS possui quantidades consideráveis de matéria orgânica (MO) e nutrientes, com possibilidade de ser utilizado como fertilizante orgânico. Quando o CSS é associado a sistemas conservacionistas, plantio direto (SPD), pode contribuir para melhorar a saúde do solo, em especial, em áreas de intenso cultivo e naturalmente inférteis no Cerrado brasileiro. As aplicações de CSS podem proporcionar adequada ciclagem de nutrientes no solo, aumentando a produtividade das culturas e o estoque de carbono (C). Já o incremento de metais como cobre (Cu), manganês (Mn) e zinco (Zn), mesmo essenciais as plantas, devem ser monitorados para otimizar as doses e reduzir os impactos do uso do CSS no sistema solo-planta. Todavia, ainda são escassas informações sobre aplicações sucessivas de CSS e seus efeitos na quantidade e qualidade do C e na disponibilidade de micronutrientes em solos da região do Cerrado cultivados sob SPD. Diante da escassez de dados, esta pesquisa objetivou avaliar os efeitos de sucessivas aplicações de CSS em um sistema de rotação de culturas sobre a dinâmica do C, o fracionamento de micronutrientes e o desempenho agronômico. O experimento foi a campo, conduzido em Selvíria (MS) sob delineamento em blocos casualizados, foi estruturado em dois estudos. O estudo (I) testou, ao longo de seis anos de cultivo, cinco doses de CSS (0 a 12,5 Mg ha⁻¹) aplicadas nos anos 1, 2 e 5. Foram monitorados os teores disponíveis e totais de Cu, Mn e Zn no solo (0–0,2 m), bem como a distribuição desses nutrientes entre frações móveis, trocáveis e ligadas a óxidos de Mn e Fe, matéria orgânica e residuais. O estudo (II) analisou, no sexto ano, os estoques e o fracionamento de C, a atividade microbiana e enzimática em diferentes profundidades sob doses acumuladas de CSS (22,5 e 37,5 Mg ha⁻¹), comparando-as à adubação mineral e à vegetação nativa. Aproximadamente 85% dos teores de Cu, Mn e Zn estão ligados a fração residual no solo. O CSS aumentou a disponibilidade de Cu e Zn no solo em até 67% e 600%, respectivamente na dose de 12,5 Mg ha⁻¹. Os teores totais de Cu e Mn apresentaram resposta quadrática, com ligeiras reduções na dose máxima. A produtividade do milho e do trigo correlacionou-se positivamente com a disponibilidade de Cu e Zn. No aspecto da dinâmica do C, a dose acumulada de 37,5 Mg ha⁻¹ aumentou os teores de de COS em 31% e o (MAOM) em 19% na camada de 0,1–0,2 m, além de incrementar a biomassa microbiana (61,23 µg g⁻¹) e reduzir em 5% o déficit de saturação de C na fração MAOM. O sistema trigo-soja foram próximos ao tratamento com fertilizante mineral. Conclui-se que a aplicação de CSS, associada à SPD, constitui uma estratégia agronomicamente eficaz e ambientalmente segura para o sequestro de carbono e o fornecimento de Cu, Mn e Zn. A prática promove a qualidade do solo e mantém a segurança alimentar, alinhando-se aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (Agenda 2030 da ONU); contudo, a sustentabilidade do sistema a longo prazo depende do monitoramento contínuo dos metais no sistema solo-planta.