ANAHI CHIMINI SOBRAL ANÁLISE DOS PARÂMETROS FÍSICOS E ISOTÓPICOS DO CARBONO E NITROGÊNIO NO SOLO COMO INDICADORES AMBIENTAIS PARA UMA MICROBACIA RURAL EM BAURU-SP. Bauru 2013 ANAHI CHIMINI SOBRAL ANÁLISE DOS PARÂMETROS FÍSICOS E ISOTÓPICOS DO CARBONO E NITROGÊNIO NO SOLO COMO INDICADORES AMBIENTAIS PARA UMA MICROBACIA RURAL EM BAURU-SP. Dissertação apresentada ao Programa de Pós- graduação “Engenharia Civil e Ambiental”, da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil e Ambiental. Área de concentração: Geotecnia. Orientador: Prof. Dr. Alexandre Marco da Silva. Co-orientador: Anna Sílvia Palcheco Peixoto Bauru - SP 2 0 1 3 Folha de aprovação Sobral, Anahi Chimini. Análise dos parâmetros físicos e isotópicos do carbono e nitrogênio no solo como indicadores ambientais para uma microbacia rural em Bauru-SP / Anahi Chimini Sobral, 2013. 107 f. il. Orientador: Alexandre Marco da Silva Co-orientador: Anna Sílvia Palcheco Peixoto Dissertação (Mestrado)–Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia, Bauru, 2013 1. Uso e cobertura da terra. 2. Carbono. 3. Nitrogênio. I. Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia. II. Título. AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, por me acompanhar sempre em todas as empreitadas e por me dar infinitas oportunidades de aprendizado e crescimento pessoal e profissional. Agradeço também ao Prof. Dr. Alexandre Marco da Silva, pela orientação neste trabalho, pela amizade, paciência e atenção desde a concepção até a finalização da pesquisa, me transmitindo conselhos, ensinamentos e confiança no trabalho científico, estando sempre nos momentos em que mais precisei. À Profa. Dra. Anna Silvia Palcheco Peixoto, pela co-orientação nesta pesquisa, pelo seu apoio como profissional e amiga, e por sempre me atender prontamente, me auxiliando no processo de desenvolvimento da pesquisa. Ao Prof. Dr. Heraldo Luiz Giacheti, pelo apoio, incentivo e conselhos, me ajudando a elaborar um trabalho científico de qualidade. Ao Professor Carlos Ducatti e a todo o pessoal do Centro de Isótopos Estáveis do Instituto de Biociências da Unesp/Botucatu, por disponibilizar o laboratório. Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental da Unesp, e a todos os professores que contribuíram para a minha formação. Ao Conselho de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela concessão da bolsa de estudos. Aos funcionários da Seção de Pós-Graduação, Célia, Gustavo e Raphael, sempre solícitos e prontos para esclarecer dúvidas. Aos funcionários do Laboratório de Mecânica de Solos da Unesp/Bauru, Gustavo e Figueiredo, pela valiosa ajuda nos trabalhos de campo e na realização de ensaios. Em especial agradeço meus pais Samuel e Néia e minha irmã Nataly pela confiança, apoio, carinho e suporte dedicado a mim desde sempre. Ao Victor, meu namorado, companheiro, ajudante de campo, que está ao meu lado desde meu primeiro dia de faculdade. Passamos por muitas coisas e hoje, depois de 7 anos, ainda estamos juntos. À minha sogra Aurora, e cunhadas Nathália e Luíza, pelos ótimos momentos que passamos juntas. À minha amiga Talita Monteiro, por me ajudar sempre que precisei e por estarmos sempre juntas nessa caminhada. Enfim, obrigado a todos que estiveram comigo durante esta caminhada e que me enviaram vibrações positivas. i INDICADORES DE QUALIDADE DO SOLO EM UMA MICROBACIA RURAL EM BAURU/SP Candidata: Anahi Chimini Sobral. Orientador: Prof. Dr. Alexandre Marco da Silva. RESUMO – Considerando a hipótese de que a mudança na cobertura da terra gera características do solo que indicam mudanças na performance de execução dos serviços ecossistêmicos normalmente por ele executados e, portanto, na sua qualidade, este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de compreender como a alteração da cobertura da terra vem modificando as características do solo, através da análise de indicadores de qualidade. O trabalho foi conduzido numa microbacia localizada na zona rural do município de Bauru-SP. Foram coletadas amostras de solo a 20 cm de profundidade em 28 pontos selecionados da microbacia, sendo que em dois pontos foram coletadas, além das amostras superficiais, amostras nas profundidades de 20 a 50 cm e de 50 a 80 cm. Adicionalmente, inspecionou-se a ocorrência de diferentes indicadores de erosão, os quais foram selecionados de acordo com levantamento bibliográfico e com as características ambientais locais. As amostras foram previamente tratadas e conduzidas para laboratórios especializados. Em seguida foram realizadas determinações de índices físicos, além do ensaio de granulometria e determinações da assinatura isotópica e dos teores de C e N. A pastagem representa aproximadamente 63% da área total da microbacia. A fração areia foi largamente predominante em todas as amostras. O valor médio do δ 13 C para pastagens e vegetação remanescente é -21,439‰ e 24,359‰, respectivamente. Esse valor sugere que o material formador da matéria orgânica do solo é predominante de plantas C4, o que pode ser devido à invasão de gramíneas nos remanescentes de vegetação. Em relação ao δ 15 N, o valor médio para as classes de uso do solo pastagem e vegetação remanescente são, respectivamente, 8,479‰ e 8,221‰. Esse resultado sugere enriquecimento em relação ao N atmosférico nas classes de uso, que pode ser devido à disponibilidade de N no solo, além de indicar a variedade de fontes as quais o ambiente está explorando N. Os indicadores de erosão ocorreram de forma predominante e mais intensiva nas áreas cobertas por pastagens. Com base nos resultados confirma-se parcialmente hipótese apresentada. Isto porque, do ponto de vista pedológico, o processo de modificação da paisagem vem modificando as propriedades físicas e isotópicas do solo, sendo que essas alterações podem ultrapassar os limites toleráveis e comprometer a capacidade de uso do solo. ii Palavras-chave: índices físicos do solo, isótopos estáveis, carbono, nitrogênio, cobertura da terra. iii SOIL QUALITY INDICATORS IN A RURAL WATERSHED IN BAURU/SP Candidate: Anahi Chimini Sobral. Advisor: Prof. Dr. Alexandre Marco da Silva. ABSTRACT - Considering the hypothesis that land cover change generates soil characteristics that indicate changes in the ecosystem services execution performance and, therefore, in their quality, the aim of this work was to understand how land cover change has been altering soil characteristics, through quality indicators analysis. The study was conducted in a rural watershed, located in Bauru-SP. Soil samples were collected at 20 cm depth in 28 selected points. In two points samples we also collected at 20-50 cm and 50-80 cm depths. The occurrence of erosion indicators was examined in field, which were selected according to literature and the local environmental characteristics. Samples were previously treated and transported to specialized laboratories. Hence, some physical indices, particle size analysis, isotopic signature and C and N content were determined. Pasture is the main land cover category (63%). Soil is sandy, at every depth, and sand represents 90% of all samples. The δ 13 C average for pasture and remnant vegetation is -21,439‰ and 24,359‰, respectively. This value suggests that the material incorporated into the soil organic matter is influenced by C4 plants, possibly due to grass invasion into remnant vegetation. In relation to δ 15 N, average value for pasture and remnant vegetation is, respectively, 8,479‰ and 8,221‰. This result suggests N atmospheric enrichment in land use classes, which may be due to soil N availability, besides indicates the variety of fonts which environment is exploring N. Soil erosion indicators occurred predominantly and more intensively in pastured places. Based on the results, hypothesis is partially confirmed. This conclusion is supported because from the pedological standpoint, accentuated processes that change landscapes tend to accelerate modifications in physical and chemical soil properties and these changes may exceed the tolerable limits and compromising land use capacity. Keywords: soil physical indices, stable isotopes, carbon, nitrogen, land cover. iv Lista de Figuras Figura 5.1 Localização da área de estudo.. ............................................................................... 28 Figura 5.2. Recorte de Mapa Geológico, evidenciando microbacia do córrego Rio Verde. .... 31 Figura 5.3. Recorte do Mapa de Declividade, evidenciando microbacia do córrego Rio Verde ...................................................................................................................................................33 Figura 5.4. Recorte Classe de solo, evidenciando a microbacia do córrego Rio Verde. .......... 35 Figura 5.5. Áreas de interesse ambiental em Bauru, definidas a partir dos recursos hídricos do município. Fonte: Secretaria de Planejamento Urbano de Bauru (2006). ................................ 36 Figura 5.6. Mapa florestal do município de Bauru/SP. Fonte: Instituto Florestal/Governo do Estado de São Paulo (2005). ..................................................................................................... 38 Figura 5.7 Pontos de coleta das amostras de solo na microbacia do córrego Rio Verde..........40 Figura 6.1. Uso e ocupação do solo na microcabia do córrego Rio Verde. ............................. 47 Figura 6.2. Curvas granulométricas da pastagem em diferentes profundidades. ..................... 49 Figura 6.3. Curvas granulométricas da área de remanescente de vegetação em diferentes profundidades. .......................................................................................................................... 50 Figura 6.4. Evidência de erosão zoógena na pastagem Curvas granulométricas da área de remanescente de vegetação em diferentes profundidades............................................................................................................................53 Figura 6.5. Invasão de gramínea no remanescente de vegetação..............................................54 Figura 6.6. Climograma para o município de Bauru, ano de 2011. Fonte: IPMET (2012) ...... 57 Figura 6.7. Valores médios comparativos de δ 13 C (em ‰) para solos da região de estudo (valor médio das amostras de solos de vegetação natural) e outros biomas brasileiros. .......... 60 Figura 6.8. Relação entre isótopos de C e N. ........................................................................... 63 Figura 6.9. Variação dos valores de δ 13 C (‰) em função da profundidade média e do tipo de cobertura da terra. ..................................................................................................................... 64 Figura 6.10. Variação dos valores de δ 15 N (‰) em função da profundidade média e do tipo de cobertura da terra. ..................................................................................................................... 65 Figura 6.11. Correlação entre os resultados obtidos para os teores de C e N para as amostras de solo analisadas. .................................................................................................................... 66 Figura 6.12. Relação entre teor (g.kg-1) e isótopo de C (‰). .................................................. 67 Figura 6.13. Relação entre teor (g.kg-1) e isótopo de N (‰)...................................................68 Figura 6.14. Ocorrência dos diferentes indicadores em função do uso e ocupação do solo na microbacia do córrego Rio Verde. ............................................................................................ 69 v Figura 6.15. Estrutura de ligada à conservação do solo apresentando sinais de rompimento.. 70 Figura 6.16. Córrego Rio Verde. .............................................................................................. 72 vi Lista de Tabelas Tabela 4.1. Classificação da porosidade em solos...................................................................... 6 Tabela 4.2. Classificação de solos conforme o grau de saturação. ............................................. 7 Tabela 4.3. Indicadores de erosão e sua descrição. .................................................................. 11 Tabela 4.4. Classificação dos indicadores de erosão quanto à possibilidade de reversão do problema. .................................................................................................................................. 12 Tabela 5.1. Temperatura mínima (Tmin), temperatura máxima (Tmax), temperatura média (Tmédia), amplitude térmica (AmpT) e precipitação pluviométrica (P). Normais climatológicas referentes ao período 1981 - 2009. ................................................................... 29 Tabela 6.1. Área e porcentagem de ocorrência das classes de uso do solo. ............................. 48 Tabela 6.2. Ocorrência das classes de partículas do solo da área de pastagem em diferentes profundidades. .......................................................................................................................... 51 Tabela 6.3. Ocorrência das classes de partículas do solo da área de remanescente de vegetação em diferentes profundidades. .................................................................................................... 51 Tabela 6.4. Resultados da determinação dos índices físicos e Teste de Kruskal-Wallis para diferentes classes de uso do solo. Obs. letras iguais indicam que, no nível 5% de significância, não há diferença entre as médias. ............................................................................................. 56 Tabela 6.5. Valores médios de δ 13 C, δ 15 N e Teste de Kruskal-Wallis a um nível de significância de 5%, conforme o tipo de cobertura do solo. Obs.: letras iguais indicam que, em 5% de significância, não há diferença entre as médias............................................................. 59 Tabela 6.6. Valores médios dos teores de C e N e Teste de Kruskal-Wallis a um nível de significância de 5%, conforme o tipo de cobertura do solo. Obs.: letras iguais indicam que, em 5% de significância, não há diferença entre as médias............................................................. 66 vii Lista de Siglas e Abreviações C Carbono N Nitrogênio 13 C Isótopo estável pesado do carbono 12 C Isótopo estável leve do carbono 15 N Isótopo estável pesado do nitrogênio 14 N Isótopo estável leve do nitrogênio δ 13 C Assinatura isotópica do carbono, medida pela relação 13 C: 12 C δ 15 N Assinatura isotópica do nitrogênio, medida pela relação 15 N: 14 N ‰ Partes por mil MOS Matéria orgânica do solo C3 Ciclo de carboxilação de Calvin C4 Ciclo de carboxilação Hatch-Slack RUBISCO Enzima ribulose bifosfato carboxilase/oxigenase PEP Enzima fosfoenolpiruvato CO2 Dióxido de carbono NO3 - Íon nitrato NH4 + Íon amônio NH3 Amônia N2O Óxido nitroso NO Óxido nítrico N2 Gás nitrogênio SAF Sistema agroflorestal UGRHI Unidade de gerenciamento de recursos hídricos g Grama m Metro cm Centímetro mm Milímetro kPa KiloPascal R² Coeficiente de determinação de Pearson viii Sumário Resumo.............................................................................................................................i Abstract..........................................................................................................................iii Lista de Figuras..............................................................................................................iv Lista de Tabelas..............................................................................................................vi Lista de Siglas e Abreviações.......................................................................................vii Sumário ......................................................................................................................... vii 1 INTRODUÇÃO. .......................................................................................................... 1 2 HIPÓTESE. ................................................................................................................. 3 3 OBJETIVOS. ............................................................................................................... 3 3.1 Objetivo Geral. ...................................................................................................... 3 3.2 Objetivos Específicos. ........................................................................................... 3 4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................... 4 4.1 Solos. ..................................................................................................................... 4 4.1.1 Propriedades físicas do solo. .......................................................................... 5 4.1.2. Matéria Orgânica do Solo. ............................................................................. 7 4.2 Conceito de qualidade do solo e indicadores de erosão. ....................................... 8 4.3 Erosão como fator de degradação do solo. ......................................................... 12 4.4 Microbacias como unidade de estudos ambientais. ............................................ 14 4.5 Isótopos Estáveis e estoque de C e N no solo. .................................................... 15 4.6 Mudanças ambientais resultantes do uso e ocupação do território, com enfoque para alterações das características físicas e isotópicas dos solos. .............................. 21 5 MATERIAL E MÉTODOS ....................................................................................... 28 5.1 Localização da área de estudo. ............................................................................ 28 5.2 Características ambientais. .................................................................................. 29 5.2.1 Clima ............................................................................................................ 29 5.2.2 Geologia. ...................................................................................................... 30 5.2.3 Geomorfologia .............................................................................................. 32 5.2.4 Solos. ............................................................................................................ 34 5.2.5 Recursos hídricos. ........................................................................................ 36 5.2.6 Fitofisionomias ............................................................................................. 37 5.3 Material cartográfico e abordagem SIG .............................................................. 39 5.3.1 Ferramentas .................................................................................................. 39 ix 5.4 Procedimentos. .................................................................................................... 39 5.4.1 Amostragem de solo para análises. .............................................................. 40 5.4.2 Indicadores de erosão. .................................................................................. 41 5.5 Índices físicos – procedimentos laboratoriais ..................................................... 41 5.6 Análise Isotópica de Carbono e Nitrogênio ........................................................ 45 5.7 Análise dos dados. ............................................................................................... 45 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO. .............................................................................. 46 6.1 Caracterização e localização dos pontos de coleta das amostras de solo. ........... 46 6.2 Análises físicas de solo. ...................................................................................... 48 6.2.1 Granulometria conjunta. ............................................................................... 48 6.2.2 Índices físicos. .............................................................................................. 56 6.3 Carbono, nitrogênio e isótopos relacionados. ..................................................... 59 6.4 Indicadores de erosão. ......................................................................................... 68 7 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS. ..................................................... 74 8 REFERÊNCIAS BIBILIOGRÁFICAS. .................................................................... 76 1 1 INTRODUÇÃO. A transformação de ambientes naturais para outros antropizados alteram o equilíbrio e a dinâmica natural dos ecossistemas, podendo restringir sua diversidade biótica e abiótica, resultando na alteração de inúmeros processos inerentes a cada ambiente em particular (ALVES, 2010). As questões relevantes para o planejamento e gestão ambiental, consideram que as relações e interações entre os elementos ambientais e socioeconômicos sejam tratadas de maneira sistêmica nas mais variadas esferas de análise, considerando uso e ocupação da terra, sua organização espacial e o processo de tomada de decisão (CAMPOS, 2010). Nesse sentido entende-se que os elementos da biosfera são inter-relacionados e que as alterações sofridas por um terão reflexos sobre os demais. Prestar atenção em processos que alteram a dinâmica do ambiente é importante no sentido de contribuir para a utilização dos recursos de modo que sua eficiência não seja comprometida. A abordagem sistêmica complexa é um mecanismo útil para a solução de problemas práticos, pois estes passam a ser vistos de forma integrada. Compreender o ambiente como sistema é uma etapa fundamental para planejar o uso do espaço geográfico e combater a sua degeneração. Ao tratar os problemas espaciais e mais especificamente o de uso e ocupação da terra, o enfoque sistêmico complexo funciona como agente estruturador das questões ambientais. Além disso, possibilita que o problema possa ser decomposto em questões menores, percebidos como partes de subsistemas (CAMPOS, 2010, p.19). Estudos que envolvam análise da qualidade ambiental são importantes e necessários quando da gestão dos recursos naturais e devem envolver indicativos que possibilitem racionalizar o uso e manejo dos mesmos (SILVA, 2002). Nesse caso, atenta-se para o uso de indicadores ambientais, instrumento que tem em sua aplicação uma tendência atual, possibilitando acompanhar as modificações que, por ventura, possam vir a ocorrer em um determinado local, podendo servir como auxílio na tomada de decisões (FERREIRA e AMADO, 200?), já que um indicador é “instrumento que permite mensurar as modificações nas características de um sistema” (DEPONTI et al., 2002, p. 25). Todas as informações levantadas sobre o local de interesse são advindas de parâmetros ou de valores que derivam deles, ou seja, são as propriedades do meio que podem ser medidas. Conforme o enfoque da pesquisa, a gama de variáveis pode ser diversa (ABDON, 2 2004). Dentre todos os recursos naturais, neste trabalho achou-se viável levar em consideração o solo, pois este é importante para as atividades realizadas pelos seres humanos, admitindo diferentes conceituações conforme o uso que se faz dele, sob diferentes perspectivas e interesses. No município de Bauru podem-se encontrar ocorrências de alterações tanto das propriedades físicas, químicas e isotópicas do solo decorrentes de processos de alteração da cobertura e formas de manejo. Este município, por conta de seu embasamento geológico de origem sedimentar e consequente formação pedológica com características de solos arenosos, sofre processos de erosão acelerada. Por outro lado, no município de Bauru ainda ocorrem fragmentos do bioma Cerrado. Este bioma vem sendo severamente impactado e, muitas vezes, a vegetação é substituída por outras devido ao objetivo de uso do solo para finalidades nem sempre justificáveis. Uma das principais consequências da remoção da vegetação original é a aceleração do processo erosivo. Neste sentido, trabalhos de diagnóstico que subsidiem ações de manejo e/ou recuperação são essenciais para controlar o processo erosivo e para “alavancar” ações de recuperação do Cerrado. 3 2 HIPÓTESE. Considera-se aqui a hipótese de que a mudança na cobertura da terra gera características do solo que indicam mudanças na performance de execução dos serviços ecossistêmicos normalmente por ele executados e, portanto, na sua qualidade. 3 OBJETIVOS. 3.1 Objetivo Geral. Avaliar como a alteração da cobertura da terra vem modificando as características do solo, através da análise de indicadores de qualidade. 3.2 Objetivos Específicos. - Quantificar os teores de C e N no solo, em função da cobertura da terra; - Determinar os valores médios dos isótopos de C e N para diferentes tipos de cobertura; - Identificar se há degradação do solo por erosão na microbacia do córrego Rio Verde; - Avaliar a condição do solo da microbacia do córrego Rio Verde a partir da análise dos indicadores de qualidade de solo utilizados. 4 4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Estudos que consideram os efeitos causados pela ação antrópica em um determinado ambiente e sobre as propriedades do solo são recursos utilizados para avaliações de danos ambientais e servem como subsídio para discussões sobre a conservação do solo e de sua qualidade (ALVES, 2010). Nesse sentido, as propriedades físicas do solo são importantes, pois influenciam diretamente no crescimento de plantas. A elas também estão relacionados o espaço poroso, fornecimento de água e oxigênio, bem como a manutenção de organismos edáficos e da biota do solo. Condições favoráveis de estruturação do solo resultam em condições que beneficiam o movimento da água e a trocas gasosas dentro do perfil, influenciando os processos fundamentais para o funcionamento de diferentes funções do solo (MAFRA et al., 2007). 4.1 Solos. O solo é um corpo natural tridimensional, que resulta da interação entre clima e organismos, afetando o material de origem rocha, configurando em um relevo que apresenta características que expressam processos e mecanismos relevantes na formação de tal recurso natural (PALMIERI e LARACH, 2004). Sua formação se dá através de elementos que configuram um processo natural marcado pela ação do clima, biosfera, rocha matriz, relevo e tempo (VIEIRA, 1988). Os solos podem adquirir características antrópicas conforme a forma e o tempo de interação com o homem, por exemplo: a evolução das cidades, falta de conservação em áreas rurais ou urbanas, entre outros. Solos constituem um dos componentes da biosfera que promovem serviços ecossistêmicos. Serviços ecossistêmicos são as condições e processos promovidos pelos ecossistemas naturais e as espécies biológicas que o compõem e que cujo conjunto consegue sustentar e atender a vida no planeta, sobretudo a vida humana (FISHER et al., 2009; SIMPSON, 2011). Este conceito está fortemente associado ao conceito de qualidade do solo, visto a seguir. Dentre os principais serviços ecossistêmicos que os solos podem exercer, cita- se, por grupos, alguns exemplos (POWLSON et al., 2011): a) serviços de suporte (serviços necessários para dar apoio aos demais grupos de serviços): formação dos solos, ciclagem de nutrientes, produção primária. 5 b) serviços de provimento (produtos obtidos de um ecossistema): produção de alimentos, produção de água, recursos genéticos. c) serviços de regulagem (benefícios obtidos quando o funcionamento do ecossistema está em equilíbrio): purificação da água, regulagem microclimática, dentre outros. Para que o solo de uma região possa executar a contento os serviços ecossistêmicos que são esperados, suas propriedades físicas, químicas e hidráulicas precisam estar inalteradas ou alteradas dentro de um limite o qual é ditado pelas características locais e que lhe conferirão o grau de vulnerabilidade. Algumas das principais propriedades são descritas a seguir. 4.1.1 Propriedades físicas do solo. A textura do solo, determinada pelo ensaio de granulometria, é dada por sua parte sólida ou inorgânica, que pode ter aspecto grosseiro ou argiloso, conforme as características das partículas que o constituem, sendo composto por areia, argila e silte, constituintes da chamada terra fina, além de partículas maiores, como calhaus e cascalhos (RESENDE et al., 2007). Outros atributos, como rocha de origem e grau de intemperização (idade) interferem nesta propriedade (RESENDE, 2007, p. 60). A textura expressa, na maioria dos casos, as características do material parental, podendo sofrer modificações devido a fenômenos erosivos ou deposicionais acelerados. Tal propriedade “está intimamente relacionada à estrutura, consistência, permeabilidade, capacidade de troca de cátions, retenção de água, fixação de fosfatos”, além de ser utilizada como critério de classificação de solos (OLIVEIRA et al., 1992, p. 35). A densidade do solo é usada como indicador de compactação, além de medir alterações da estrutura e porosidade do solo (PEQUENO et al., 2010). É o volume do solo natural, incluindo os espaços ocupados pelo ar e pela água. Ela é variável e depende da estrutura e da compactação. Quanto mais estruturado e compactado for o solo, maior será o valor da densidade (BERTONI e LOMBARDI NETO, 2005). A quantidade de matéria orgânica do solo (MOS), quando em abundância, pode baixar consideravelmente o valor da propriedade em questão. A densidade da partícula, ou massa específica dos sólidos, é uma propriedade caracterizada pela relação pautada entre a massa de uma amostra de solo e o volume ocupado por suas partículas sólidas, desconsiderando o fator porosidade, além de não variar conforme 6 o manejo aplicado ao solo, pois depende da composição química e mineralógica do solo, além de estabelecer a predominância de componentes inorgânicos ou orgânicos em uma amostra (REINERT e REICHERT, 2006). Para os solos brasileiros, os valores de densidade da partícula “variam entre 2,60 a 2,75, dependendo da composição mineralógica e do teor de MOS no solo. Isso porque os minerais predominantes como o quartzo, feldspatos e as argilas têm pesos específicos dentro daqueles limites” (FREIRE, 2006, p. 28). A porosidade de um solo indica o volume não preenchido pelas partículas sólidas do mesmo, sendo este volume ocupado por água e ar, ou seja, ocorrem nestes espaços a transferência de partículas sólidas, líquidos, gases e atividades biológicas (GUERRA, 2005). A relação de proximidade e o arranjo das partículas sólidas de um solo são responsáveis pela sua porosidade (BERTONI e LOMBARDI NETO, 2005). A ação de organismos vivos, raízes de plantas ou cultivo da terra aprimoram a porosidade, mas, quando as partículas fragmentadas dos agregados do solo passam a ocupar os espaços cedidos pelos poros, a porosidade diminui (Selby, 1985 apud BIGARELLA et al., 2007). A Associação Internacional de Geologia de Engenharia (IAEG) elaborou uma classificação da porosidade em solos (Tabela 4.1). Tabela 4.1. Classificação da porosidade em solos. Porosidade (%) Denominação > 50 Muito alta 45 - 50 Alta 35 - 45 Média 30 - 45 Baixa < 30 Muito baixa Fonte: IAEG (1979). O grau de saturação corresponde à porcentagem do preenchimento dos vazios do solo por água, ou seja, é a relação entre volume de água e volume de vazios. Se os vazios estiverem 100% preenchidos, diz-se que o solo está saturado. Dependendo da precipitação acumulada, os vazios do solo podem estar mais ou menos preenchidos. Se o grau de saturação for baixo, significa que o solo tem maior capacidade de absorver água da chuva, por exemplo (ORTIGÃO, 2007; LEAL, 2013). A Associação Internacional de Geologia de Engenharia (IAEG, 1979) propôs uma classificação dos solos em conformidade com o grau de saturação dos mesmos (Tabela 4.2). 7 Tabela 4.2 Classificação de solos conforme o grau de saturação. Grau de saturação (%) Denominação 0 - 25 Naturalmente seco 25 - 50 Úmido 50 - 80 Muito úmido 80 - 95 Saturado 95 - 100 Altamente saturado Fonte IAEG (1979). 4.1.2. Matéria Orgânica do Solo. A MOS é um indicador de qualidade ambiental usado para detectar a fragilidade e o grau de degradação ou alteração de ecossistemas terrestres (RUIVO et al., 2002). Ela constitui reserva de C, fósforo e enxofre para as plantas, influencia no pH, troca de cátions e ânions, na porosidade e capacidade de retenção de água nos solos (ZECH et al., 1997; RUIVO et al., 2002; PINHEIRO et al., 2004; BARRETO et al., 2008). Por sua grande importância na ciclagem de nutrientes, a serapilheira é considerada parte integrante dos perfis (RUIVO et al., 2002). Ela se origina, em grande parte, da vegetação terrestre, sofrendo transformações de ordem química e bioquímica que podem levar de segundos a séculos, sendo estas realizadas pela comunidade de organismos do solo, estabelecendo relações com as funções do solo e sustentabilidade agrícola (MAGDOFF e WEIL, 2004; MARSCHNER e RENGEL, 2007 apud HAYGARTH e RITZ, 2009). Araújo et al. (2007) utilizaram, em seu trabalho, atributos físicos como indicadores de qualidade do solo. Através destes atributos e comparando áreas de vegetação nativa com áreas utilizadas para agricultura e reflorestamento, observaram que o tipo de uso e a intensidade desse uso influenciam diretamente na degradação do solo. Marchão et al. (2007) também avaliaram, em seu trabalho, a resposta de diferentes atributos físicos sob variados usos atribuídos ao solo, comparando dados referentes à áreas de vegetação nativa e áreas destinadas à integração lavoura-pecuária. Como resultados os autores apontaram que todas as áreas cujo uso era o agropastoril apresentaram impactos na qualidade física do solo, com destaque para os primeiros 5 cm de profundidade. 8 4.2 Conceito de qualidade do solo e indicadores de erosão. O solo pode ser considerado um recurso natural não renovável, pois na maioria das vezes, a degradação ocorre de forma rápida, contribuindo para o depreciamento das suas funções intrínsecas, enquanto que o processo de formação e/ou recuperação dos danos causados é lento (Blum, 1988 apud TÓTH et al., 2007). Para definir qualidade de solo, diversos aspectos são relacionados com a dinâmica dos solos. Por exemplo, a produção agrícola, suporte a ecossistemas mais diversos, desde pastagens até florestas, englobando também solos usados na remediação de áreas urbanas ou industriais contaminadas por poluentes ou áreas em que são exploradas atividades como mineração, fundição e refinaria de materiais, áreas destinadas à conservação ambiental e até mesmo voltadas para recreação ou lazer (KARLEN et al., 1997). Tudo isso vem no sentido de reconhecer que os solos são diferentes e que para cada função específica sua qualidade pode variar sem que isto seja, necessariamente, um fator limitante para seu uso. O interesse em avaliar a qualidade dos solos aumentou quando se percebeu que este é um recurso natural indispensável para a vida no planeta, sendo um importante componente da biosfera e servindo não apenas para suprir a produção de alimentos, mas também na manutenção local, regional e global da qualidade do meio ambiente terrestre (GLANZ, 1995 apud DORAN e ZEISS, 2000). Desse interesse surgiram duas denominações: qualidade do solo e saúde do solo. O primeiro refere-se à aptidão para um uso específico, sendo definido pela Soil Science Society of America Ad Hoc Comitee (KARLEN et al., 1997), como a “capacidade de um tipo específico de solo funcionar dentro dos limites de um ecossistema natural ou manejado para sustentar a produtividade animal e vegetal, manter ou aumentar a qualidade do ar e da água e suster a saúde humana e habitação”. Qualidade do solo também pode ser um índice das condições apresentadas pelo solo, relacionado às necessidades de uma ou mais espécies biológicas e/ou para qualquer uso dado pelo homem, ou seja, as características e propriedades físicas e químicas determinam a qualidade do solo dentro dos limites estabelecidos pelo clima e pelo próprio ecossistema de que o solo faz parte (JOHNSON et al., 1997). Já o termo saúde do solo aproxima o solo de um sistema vivo e dinâmico. Suas funções são percebidas por uma diversidade de organismos vivos que requerem manejo e conservação, estando relacionado à biodiversidade do ambiente e sua capacidade de resiliência frente a condições adversas, sendo mais sensível a perturbações antropogênicas por 9 admitir a característica sistêmica às relações existentes no ambiente (DORAN e ZEISS, 2000). Assim, ao solo estariam intrínsecas funções, como sustentar a produtividade biológica, promover qualidade ao meio ambiente e manter a saúde de animais e da vegetação. Três fatores estão intrinsecamente relacionados à qualidade do solo: propriedades químicas, físicas e biológicas; condições ambientais externas (como clima, fatores relacionados à hidrologia, entre outros) e a forma de uso e ocupação. Estes elementos estão interligados e, se houver alteração, positiva ou negativa, em um deles, os outros sofrerão impactos, positivos ou negativos, devido a essa alteração. Vezzani e Mielniczuk (2009) apontam sobre a tentativa de se estabelecer um índice que retrate a qualidade do solo. Entretanto, para Volk (2002), citando diversos autores, medições não são capazes de indexar qualidade, pois esta está intrínseca ao fim destinado ao solo, ou seja, para cada diferente uso atribuído, diferentes serão as necessidades e as exigências que se farão deste recurso natural. Portanto, aponta-se para a importância da definição dos objetivos ou funções esperadas, sendo que, quando estas são criteriosamente definidas, indicadores podem ser usados como parâmetros de capacidade do solo em responder positivamente ao uso proposto, seja ele para fins econômicos ou de conservação ou preservação ambiental. O conceito de qualidade do solo e o índice proveniente do mesmo devem ser tratados de maneira sistêmica, ou seja, devem descrever o mais perto possível os processos ecológicos que ocorrem no solo, levando em conta o todo e as relações entre as partes (DORAN, 1997). Vezzani e Mielniczuk (2009), citando Doran e Parkin (1994), colocam que um indicador de qualidade do solo deve abranger e atender critérios como: ...elucidar processos do ecossistema e relacionar aos processos-modelo; integrar propriedades biológicas, físicas e químicas do solo e os respectivos processos; ser acessível a muitos usuários e aplicável a condições de campo; ser sensível a variações de manejo e de clima ao longo do tempo; e, quando possível, ser componente de banco de dados já existente (DORAN e PARKIN, 1994). Dessa forma, entende-se que, considerando a avaliação e a aplicação de indicadores de qualidade de solo, deve ser levado em conta não apenas os resultados quantitativos obtidos por meio de análises de laboratório. Os aspectos qualitativos destes resultados devem ser encarados de forma que estes sirvam como base para ações futuras de manejo não somente do recurso natural solo, mas também tendo uma visão integrada dos outros componentes ambientais envolvidos nos processos. Por estas razões é que se deve levar em conta os 10 aspectos bióticos, abióticos e antropogênicos que possam causar interferências ou que possam vir a ser interferidos por estas ações de manejo e planejamento do uso do solo (Arshad e Coen, 1992 apud VEZZANI e MIELNICZUK, 2009). Outro ponto relevante é a percepção do solo como componente de processos ecológicos, cuja conservação é necessária para manutenção do equilíbrio ecossistêmico e das próprias atividades humanas, atividades estas que podem degradar o solo em prol de benefícios à sociedade (HARRISON e STRAHM, 2008). Por conta disso considera-se, quando da análise integrada da qualidade do solo, a perda por erosão hídrica. Este é um fator considerável, já que a erosão não só reflete em mudanças na propriedade do solo, mas também no potencial de produção agrícola (OKOBA E STERK, 2006a). Em relação aos indicadores de erosão, Okoba e Sterk (2006a) desenvolveram uma série de situações observáveis e que indicam o grau de degradação do solo e a possibilidade de reversão dessa degradação. Okoba e Sterk (2006b) organizaram em forma de tabela os indicadores desenvolvidos, culminando nas informações contidas na Tabela 4.3. Os mesmos autores ainda comentam que os indicadores podem se referir a impactos reversíveis e irreversíveis ou de difícil recuperação, sendo que o primeiro remete a quadros erosivos atuais e o segundo as erosões antigas, conforme apresentado na Tabela 4.4. Para refinar o levantamento das áreas e a aplicação dos dados qualitativos, Okoba e Sterk (2006b) contaram com o conhecimento de produtores rurais do Quênia principalmente para identificar e classificar formas erosivas, visando à aplicabilidade dos mesmos. Os resultados quanto ao uso dos indicadores propostos foram satisfatórios, pois mostraram que o risco ou extensão do dano ao solo pela erosão era dependente do numero e tipo dos indicadores de erosão. Além disso, eles foram considerados úteis para identificar áreas que requeriam atenção para aplicação de nutrientes ou conservação do solo. Saber sobre a possibilidade de reversão de quadros erosivos é fundamental para direcionar ações de recuperação e manejo de áreas degradadas, de forma a agregar informações e considerações aos estudos que envolvem indicadores de qualidade do solo, pois remetem a aspectos referentes ao planejamento, gestão e uso e ocupação futuro dessas áreas. 11 Tabela 4.3. Indicadores de erosão e sua descrição. Indicadores de erosão Breve descrição Pedestais de salpicamento Descreve crateras criadas pelas gotas de chuva e coluna de solos protegidas por rochas, raízes ou resíduos de culturas. Comumente encontradas embaixo ou fora da copa das árvores. Lavagem de camada Marcada pelo caminho deixado pelo fluxo de escoamento em superfície lisa que mostra a direção do fluxo. Ravinas Canais contínuos ou descontínuos. Desenvolvimento após intensos episódios e chuva, começando de uma curta distância do cume ou base de uma planta, devido às estruturas da folha que concentram e interceptam nas copas a água da chuva. Raízes expostas Exposição de raízes aéreas depois que a camada superficial do solo é removida pelo escoamento e salpicamento das gotas de chuva no solo. Indica que a superfície do solo foi removida enfraquecendo a estabilidade das culturas. Sedimentação Identificada pelo soterramento de culturas/gramíneas ou deposição de um “novo solo”. Marcada por área fértil ou infértil. O material solo pode ser rico em nutrientes ou depósito grosseiro de areia/pedregulho. Rompimento de estruturas ligadas à conservação do solo Marcado por lacunas em faixas contínuas de estruturas de conservação. Revela escoamento excessivo que pode não ser contido pelas estruturas existentes. Pedregosidade Pequenas pedras soltas depositadas na superfície do solo. Sobrepondo camadas superficiais e subsuperficial de solo removidos por erosão hídrica. Afloramentos rochosos Rochas parcialmente expostas. Indica que os solos são rasos e lavados pelo fluxo de escoamento, expondo a rocha-mãe. Voçorocas Maiores que ravinas e se distinguem das mesmas quando uma criança de 7 anos de idade não consegue atravessá-la. Solos vermelhos Solos escuros superficiais são removidos pelo escoamento. Forte indicador de solos improdutivos e severamente erodidos. Solos soltos Solos propensos à erosão eólica e facilmente levados por água de enxurrada. Eles não são escuros ou vermelhos, mas possuem pouca capacidade de retenção de água. Eles não ocupam grades áreas uma vez que são intercalados entre solos vermelhos ou escuros. Fonte: Okoba e Sterk (2006b). 12 Tabela 4.4. Classificação dos indicadores de erosão quanto à possibilidade de reversão do problema. Indicadores de erosões atuais (reversíveis) Indicadores de erosões antigas (irreversíveis) Ravinas Exposição de rochas Pedestais de salpicamento Exposição de raízes (em arvores) Sedimentação Pedregosidade Lavagem de camadas Solos Vermelhos Exposição de raízes (em culturas alimentares) Voçorocas Quebras das estruturas ligadas à conservação do solo Solos soltos Fonte: Okoba e Sterk (2006b). 4.3 Erosão como fator de degradação do solo. Neste meio século que se passou, estima-se que mais da metade dos serviços ecossistêmicos que o planeta poderia nos provir foi perdido devido a várias formas de degradação ambiental (KINZIG et al., 2011). Para o caso dos solos, as causas de degradação são muitas, variando em complexidade, natureza e dimensões (ZELEQUE et al., 2006, apud ADHIKARI e NADELLA, 2011) e podem ser abordadas como resultado da combinação de variáveis sociais, econômicas, culturais, políticas e biofísicas que interagem entre si em diferentes escalas espaço-temporais (DAILY, 1995 apud ADHIKARI e NADELLA, 2011). Erosões podem se manifestar na forma laminar, de ravinas e voçorocas. É um fenômeno geológico que ocorre independente da ação humana. Entretanto, pode ter seu equilíbrio rompido a partir das intervenções antrópicas, se tornando um processo destrutivo, que degrada fertilidade e estrutura do solo, entre outras propriedades intrínsecas ao recurso natural (LAL, 2003). Alguns fatores podem influenciar no desenvolvimento de quadros erosivos. O clima é o agente ativo da erosão hídrica e, quando combinado ao tipo de uso destinado ao solo e às condições agrícolas de uma região, pode estabelecer risco elevado de ocorrência de erosões (McCOOL e WILLIAMS, 2008). Outro fator condicionante levantado diz respeito às características da chuva, ou seja, sua erosividade. Estudos empíricos mostram que existe correlação entre a intensidade da chuva e a perda de solo, sendo que quanto maior a energia cinética das gotas de chuva, maior sua capacidade de destruição das estruturas e agregados do solo (JEBARI et al., 2012). 13 A topografia do terreno também é levada em conta, sendo que comprimento, declividade, uniformidade, concavidade e convexidade de uma encosta são características que, em combinação a outras, podem determinar o estabelecimento e desenvolvimento de erosão (McCOOL e WILLIAMS, 2008; MARTTILA e KLOVE, 2010). Outros dois fatores determinantes são a formação de canais de fluxo concentrado e características do solo. Em relação aos canais de fluxo, a maior dificuldade está na sua classificação, ou seja, qual o tamanho que um sulco deve ter para ser considerado um canal de fluxo, pois estes coletam e convergem o escoamento superficial do terreno (McCOOL e WILLIAMS, 2008). Em relação às características do solo, pode-se dizer que a resistência do solo à erosão, ou a erodibilidade, está diretamente ligada à sua textura, estrutura e MOS. Dessa forma, diferentes granulometrias resultarão em diferentes respostas ao risco de desenvolvimento de quadros erosivos. Em linhas gerais, solos ricos em argila são os menos propensos a erodir, enquanto que solos predominantemente arenosos são os mais facilmente desagregáveis, mas menos propensos a erodir por conta da alta capacidade de infiltração; solos de textura média e com alto teor de silte são os que tendem a erodir (BERTONI e LOMBARDI NETO, 2005). Além disso, o impacto das gotas de chuva e o escoamento superficial atuam de forma a romper os agregados do solo e expor a MOS às forças erosivas da água e/ou vento, bem como a outros processos pedológicos, de forma a contribuir para a redistribuição do C orgânico do solo ao longo da paisagem. Este processo ocorre de forma a concentrar C orgânico do solo em áreas deposicionais localizadas, principalmente, próximas ao local da erosão (SMITH et al., 2005; QUINE e Van OOST, 2007; VANDENBYGAART et al., 2012). Existe relação, até certo ponto, positiva entre erosão e perda de C orgânico do solo e geralmente há maior concentração do C em sedimentos carreados para pontos mais baixos do terreno (VANDENBYGAART et al. (2012). Quine e Van Oost (2007) analisando esta correlação, apontaram como de grande importância a análise desta situação em escala local. Eles observaram que a concentração de C de solos erodidos era continuamente diminuída, pois o C recém assimilado era frequentemente exportado da área da erosão. Sendo assim, áreas manejadas pela agricultura, por exemplo, sofrem modificações nas propriedades do solo quando acometidas por erosões, já que a redistribuição do solo ao longo da paisagem é importante para controlar as alterações espaciais e em profundidade da dinâmica do C, por exemplo, dentro de uma bacia hidrográfica. 14 Portugal et al. (2008), citando vários autores, evidenciam que os processos acelerados de degradação do solo, como por exemplo erosão, mineralização da MOS, entre outros, são resultantes da substituição de ecossistemas naturais por ecossistemas cultivados. Além de alterações na dinâmica do C e do declínio nos teores de C no solo, o ciclo do N também sofre alteração devido a degradação do solo, “pois a MOS, sua principal fonte, está concentrada na superfície do solo e é perdida seletivamente por erosão” (BORTOLON et al., 2009, p. 1637). Dessa forma, solos degradados e com baixos teores de C se não estiverem adubados com N mineral ou produtos correlatos, tendem a apresentar também baixos teores de N, já que ambos os elementos estão associados e sofrem perdas conjuntas quando expostos a quadros de erosão e escoamento superficial (PORTUGAL et al., 2008). 4.4 Microbacias como unidade de estudos ambientais. É importante esclarecer que processos de perda de solo e nutrientes afetam outros componentes do ecossistema, seja ele com condições próximas das encontradas em ambientes naturais ou seriamente antropizados, como no caso de áreas urbanas e/ou de cultivos em áreas rurais. Por conta disso é que se entende como unidade de estudo o sistema integrado e aberto denominado bacia hidrográfica. Carmo e Silva (2010, p. 2), citando diversos autores, entendem que as bacias hidrográficas contribuem para uma avaliação apropriada dos impactos ambientais causados pela ação do homem no meio, o que pode, porventura, causar riscos e/ou danos ao equilíbrio de ecossistemas. Bacia hidrográfica pode ser conceituada como sendo: Um sistema que compreende um volume de materiais, predominantemente sólidos e líquidos, próximos à superfície terrestre, delimitado interna e externamente por todos os processos que, a partir do fornecimento de água pela atmosfera, interferem no fluxo de matéria e de energia de um rio ou de uma rede de canais fluviais. Inclui, portanto, todos os espaços de circulação, armazenamento e de saídas de água e do material por ela transportado, as quais mantêm relações com esses canais. (RODRIGUES e ADAMI, 2005, p. 147- 148). 15 Adotar uma bacia hidrográfica como unidade de estudo e análise vem no sentido de aceitar que todas as atividades humanas, estejam elas ligadas ao meio urbano ou rural, serão impressas sobre as condições ambientais de determinado local. Todos os processos que se desenvolvem em uma bacia serão concebidos dentro deste sistema, sendo que a forma de ocupação do território e o manejo de solo e água adotados terão, dentro do sistema, consequências sobre os recursos naturais (PORTO e PORTO, 2008), operando como ferramenta para gerenciamento de recursos naturais e decisões políticas relacionadas ao meio ambiente (TUNDISI, 2003). 4.5 Isótopos Estáveis e estoque de C e N no solo. Isótopos estáveis constituem um grupo os quais não emitem radiação. Os isótopos estáveis mais comuns com interesse para estudos biológicos são carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O), nitrogênio (N) e enxofre (S), pois são encontrados naturalmente, sendo que cada elemento apresenta um isótopo leve ( 12 C, 1 H, 16 O, 14 N, 32 S) e um ou mais pesado ( 13 C, 2 H, 17 O, 18 O, 15 N, 33 S, 34 S, 36 S) (Ducatti, 2000 apud SLEIMANN, 2006). Eles ocupam a mesma posição na tabela periódica (KELLY, 2003) e são definidos como átomos de um mesmo elemento que possuem mesmo número de prótons, mas diferente número de nêutrons. Por serem do mesmo elemento, isótopos estáveis sofrem as mesmas reações químicas, mas, por possuírem tamanho e peso atômico diferentes, eles reagem em ritmos distintos (VAGEN et al., 2006). Podem ser aplicados e servir como base para o estudo e entendimento dos impactos que desequilibram o funcionamento e estrutura dos ecossistemas por conta de seu uso indiscriminado (Boutton et al., 1998; Staddon, 2004; apud VAGEN et al., 2006). Sendo assim, a mensuração da alteração da qualidade da MOS pode ser analisada por meio de sua composição isotópica, levando em conta, por exemplo, isótopos estáveis de C e N (PEREIRA e BENEDITO, 2007). Quando se analisa a composição isotópica do C, utiliza-se um padrão internacional, que no caso, é a rocha calcária dolomítica do fóssil belemitela (Belemnita sp.) encontrada na formação geológica PeeDee, na Carolina do Norte, Estados Unidos, sendo que os desvios em relação ao padrão são chamados de unidade (δ) e, como estes desvios são pequenos, são expressos em partes por mil (‰) (ALVES et al., 2006). O N tem como padrão o gás N2 atmosférico. Uma amostra natural de N tem composição aproximada de 99,635% de 14 N e 0,365% de 15 N. Entretanto, esta composição 16 pode ser alterada, evidenciando uma abundância artificial do referido elemento. Como exemplo pode-se citar um fertilizante nitrogenado enriquecido em 15 N, com proporção de 10% de 15 N e 90% de 14 N (PEIXOTO, 2002). Assim, os valores correspondem à razão entre isótopos pesados e leves em cada amostra analisada (PEREIRA e BENEDITO, 2007). Sendo assim, a composição isotópica, em termos de diferença do isótopo da amostra em relação ao padrão, é obtida pela equação abaixo (PETTERSON e FRY, 1987). 3 padrão amostra 10*1 R R )‰(          (1) Onde: δ é o valor de 13 C ou 15 N e R corresponde à razão 13 C/ 12 C ou 15 N/ 14 N. Os resultados obtidos a partir de δ dizem respeito à medida da quantidade de isótopos leves e pesados em uma dada amostra. Esta uma relação é inversamente proporcional, ou seja, quanto mais baixo o valor desta relação, denota-se decréscimo no conteúdo de isótopo pesado e aumento no conteúdo do isótopo leve e vice-versa. No caso do C, a fração leve ( 12 C) é mais abundante na natureza, com ocorrência de aproximadamente 98,89% em relação ao C total. Já o 13 C é menos abundante, sendo que, em relação ao C total, apresenta ocorrência de cerca de 1,11% (PETERSON e FRY, 1987). Algumas reações podem alterar a razão 12 C/ 13 C, fracionando os isótopos estáveis. Entretanto, este fracionamento é relativamente pequeno, requerendo espectrômetro de massa para detectar estas pequenas diferenças (PETERSON e FRY, 1987). As variações da composição isotópica de C ocorrem por conta dos diferentes ciclos de carboxilação responsáveis pela assimilação do CO2 atmosférico pelas plantas. As plantas de ciclo C3 (ciclo de Calvin) fixam o CO2 atmosférico através da enzima RUBISCO (ribulose bifosfato carboxilase/oxigenase) e reduzem o CO2 em um composto formado por 3C; as do ciclo C4 (ciclo de Hatch-Slack) atuam através da enzima PEP carboxilase, reduzindo o CO2 em um composto formado por 4 C. Entretanto, a enzima RUBISCO discrimina o isótopo pesado do C ( 13 C) em relação ao isótopo leve ( 12 C) muito mais do que a PEP carboxilase, resultando em menor acúmulo de 13 C pelas plantas de ciclo C3 (ALVES et al., 2006; LEMMA et al., 2006). Sendo assim, a composição isotópica do C da MOS ( 12 C e 13 C) pode fornecer extensa resolução taxonômica e distinguir plantas com ciclos fotossintéticos C3 de outras com ciclo C4 17 (BIEDENBENDER et al., 2004), já que o acúmulo de material orgânico no solo em sistemas naturais é composto basicamente pela entrada de serapilheira em superfície e de raízes em profundidade (GLEIXNER, 2005). Dessa forma, isótopos estáveis podem ser considerados traçadores ambientais naturais, sendo que, no caso de C e N, os isótopos 13 C e 15 N assumem este papel. No caso do 13 C, a sua capacidade de distinguir materiais orgânicos derivados de diferentes grupos de plantas é a chave para sua utilização, pois em estudos da origem de C no solo pressupõe-se que a MOS reflete o material do qual se derivou (ALVES et al., 2006). Quando há a substituição de um tipo de vegetação para outro (variando os ciclos de carboxilação C3 e C4), espera-se ocorrer uma mudança no padrão isotópico da MOS do local, o que pode ser identificado com levantamento de informações sobre a assinatura isotópica estável do C, que se baseia nas diferentes composições do 13 C de plantas C3 e C4 e sua preservação na MOS (PESSENDA et al., 2004). Fernandes et al. (2007) investigaram, através da técnica do 13 C, se houve alteração no padrão isotópico do C na MOS sob cerrado e pastagens no Pantanal Mato-Grossense, sendo que a vegetação original na área era o cerrado. Eles observaram que houve incremento de C orgânico nas áreas de pastagens, com incorporação ocorrendo mais rapidamente na camada superficial do solo, evidenciando a substituição do padrão de vegetação com ciclo C3 para ciclo C4. Nesse sentido, os valores de δ 13 C são utilizados para identificar qual proporção da MOS é derivada de material orgânico da vegetação original e da nova vegetação implantada, tanto nos horizontes superficiais ou em profundidade nos perfis de solo, bem como quantificar a taxa de substituição do C derivado da antiga vegetação para a nova, já que esta alteração persiste por um determinado período de tempo. Mudanças na cobertura da terra induzem a mudanças na dinâmica do C e N, principalmente quanto ocorre a substituição de vegetação nativa por cultivos agrícolas, ou seja, alteração tanto na estrutura quanto na função do padrão de vegetação. Isto afeta principalmente a movimentação e a armazenagem do C e N na MOS (BIGGS et al., 2002; VAGEN et al., 2006; OELBERMANN e VORONEY, 2007; AWITI et al., 2008). Outros fatores determinam a assinatura isotópica do 13 C nas plantas, as quais serão incorporadas no solo como material orgânico. Além da variação nos ciclos fotossintéticos, estão relacionadas, de acordo com diversos autores citados por Powers e Schlesinger (2002), a disponibilidade de água, nível de irradiância, aspectos altitudinais e latitudinais, efeito de 18 Suess (alterações no δ 13 C do CO2 atmosférico devido à queima de combustíveis fósseis com assinatura isotópica diferente), reassimilação do CO2 respirado, entre outros. Plantas de ciclo C3 apresentam os valore de δ 13 C variando de -33‰ a -22‰, com valor médio de -27‰ em relação ao padrão, enquanto que para as plantas com ciclo C4, os valores de δ 13 C variam entre -17‰ e -9‰, com valor médio de -14‰ (STEVENSON et al., 2005; VAGEN et al., 2006). A notação “‰” (partes por mil) é devido ao fato dos valores resultantes serem muito baixo e esta é uma forma de torná-los mais facilmente compreensíveis. Admite-se, então, que a aplicação da técnica dos isótopos estáveis auxilia no entendimento e estudo da dinâmica do C no solo, sendo que seu uso viabiliza estudos em diversas escalas temporais, de poucos anos até centenas de anos (BERNOUX et al., 1998; BIGGS et al., 2002), o que remete, também, à possibilidade de desenvolvimento de estudos paleoambientais. A aplicação da técnica também é valida para estudos em áreas onde ocorrem usos mais complexos, como no caso de sistemas agroflorestais, que combinam diferentes tipos de vegetação, ou onde a transição entre tipos de vegetação (C3 e C4) não é abrupta, onde há controle sobre tipo de vegetação cultivada (somente C3 ou C4) ou quando ocorre a mistura de plantas C3 e C4 em uma mesma área cultivada (Diels et al., 2001 apud OELBERMANN e VORONEY, 2007). Além disso, a relação dos isótopos estáveis de C da MOS pode ser usada como traçadores do fluxo regional e global do C (EHRLINGER et al., 2002). O CO2 atmosférico é a fonte de C para as plantas, independentemente de ciclo fotossintético e alterações nos níveis de CO2 atmosférico (EHRLINGER, 2005). A discriminação do isótopo do C em plantas C3 e C4 varia por conta de fatores fisiológico das plantas e fatores meteorológicos. Além disso, o desmatamento ou a substituição de ambientes florestais para pastagens altera a dinâmica do fluxo do C em nível regional e até mesmo global (EHRLINGER et al., 2002). Plantas C4 mantêm um sistema atmosférico mais rico em CO2. Atmosfera mais elevada em CO2 pode propiciar o crescimento das plantas, já que elas fixarão mais C durante a fotossíntese, aumentando a produção de biomassa (PATAKI et al., 2003; SCHIMEL et al., 2004). Atmosfera rica em CO2 favorece plantas C3, pois elas podem absorver mais CO2 e perder menos água durante a fotossíntese, por conta da diminuição da abertura estomática, mantendo sua estrutura interna mais enriquecida em CO2 (EHRLINGER e CERLING, 2002). Os estudos voltados para análise e interpretação das alterações ocorridas na MOS são importantes não só pelo impacto que esta tem na qualidade do solo, mas também pelo fato de esta ser a maior reserva mundial de C, extrapolando os teores armazenados na biosfera 19 terrestre e na atmosfera. Entender as alterações ocorridas na MOS é importante devido ao aumento drástico do lançamento e concentração do CO2 na atmosfera, sendo que o comportamento do solo como dissipador ou fonte para este CO2 ainda é base para debates (BELLANGER et al., 2004). Assim como o C orgânico pode ser afetado mediante alterações no uso e ocupação do solo, o mesmo pode ocorrer com a dinâmica do N, resultando em degradação do solo (LEMMA e OLSSON, 2006). Isso afeta direta ou indiretamente o balanço do N nos ecossistemas terrestres, seja pela aplicação de fertilizantes, o que aumenta a produção de biomassa, eleva os valores de N na colheita e aumenta a perda de N por meio de amônia, volatilização, lixiviação do NO3 ou emissão de N2O, seja pelo corte de vegetação ou atividades de pastoreio, com maior perda de N, seja pelo desequilíbrio no balanço de N por conta do aprimoramento da atividade microbiana, que sujeita o N a mineralização, imobilização e/ou denitrificação (WATSKA et al., 2006). Awiti et al., (2008), citando Robinson (2001), afirmam que os valores do δ 15 N refletem processos relativos ao ciclo do N e este é influenciado pelo uso e ocupação ou alteração da cobertura vegetal. Dessa forma, ambientes com perda deste nutriente ou com baixa taxa de entrada do mesmo no sistema tendem a ser enriquecidos com δ 15 N e, ambientes como florestas naturais ou remanescentes de mata, onde não há significativa perda de N, tendem a ser empobrecidos de δ 15 N, refletindo o efeito do manejo ou de sua ausência no ciclo do N. Lemma e Olsson (2006), citando Högberg (1997), afirmam que a variação dos valores de δ 15 N na biosfera resulta do fracionamento isotópico em processos físicos, químicos e biológicos, sendo que processos que resultam na perda no N para o meio depreciam o teor de 15 N nos compostos (NO3 - , N2O, NO, N2, NH3) que contribuem para o enriquecimento do 15 N nos compartimentos residuais (N orgânico, NH4 + , NO3) do solo e ecossistema, ou seja, o fracionamento proporciona enriquecimento de 15 N por conta da decomposição da MOS na medida em que aumenta a biomassa microbiana enriquecida em 15 N. O N orgânico tende a ter δ 15 N mais abundante na superfície do solo e o inorgânico é mais expressivo em profundidade, área em que há decréscimo no teor do N orgânico. Sendo assim, em profundidade, o N inorgânico é controlado, também, por reações como nitrificação, denitrificação, lixiviação do nitrato e absorção de amônia por argilas (NADELHOFFER e FRY, 1994; KENDALL, 1998 apud KRULL e SKJEMSTAD, 2003), o que tem, tanto em superfície como em subsuperfície, efeito na abundância do 15 N em solo e plantas 20 (NADELHOFFER e FRY, 1994; HÖGBERG, 1997; HOPKINS et al., 1999 apud AWITI et al., 2008). Para Watska et al. (2006) os valores de δ 15 N refletem não só o fracionamento do estoque de N no solo durante a transformação do N, mas também confirma sua origem proveniente de diversas fontes, como por exemplo, através da aplicação de fertilizantes, que podem alterar os valores de δ 15 N de plantas e solos, principalmente quando sua aplicação é em longo prazo. Liao et al. (2006) ainda apontam que, em escala global, os valores de δ 15 N estão positivamente correlacionados com a temperatura média anual e negativamente com a precipitação média anual, o que afeta o estoque do N em escala local. Em escala local o δ 15 N é influenciado pela quantidade e qualidade da material orgânico que entra no sistema, por fontes provedoras de N e fracionamento isotópico resultante das transformações do N, bem como pelo grau de humificação e de decomposição deste material, ou seja, processos bióticos e abióticos. Por conta disso os valores de δ 15 N variam de solos agrícolas para solos florestais, sendo que o primeiro, por possuir outras fontes de N2, como a fixação biológica e aporte de N devido à aplicação de fertilizantes, apresentam valores de δ 15 N de aproximadamente 7‰. Os solos florestais, cuja fonte principal de N é o ar atmosférico, apresentam valores de δ 15 N que se aproximam de 1‰. Entretanto, se houver outras fontes de N2, como por exemplo, fertilizantes e fixação biológica do N2, este valor pode ser enriquecido em δ 15 N. De qualquer forma, os solos ganham entrada de N e, depois de metabolizá-lo, libera 15 N empobrecido por conta da denitrificação, volatilização da amônia, e lixiviação do nitrato – por conta disso os solos se tornam mais enriquecidos em 15 N (YONEYAMA, 1996). Sendo assim, como processos de discriminação isotópica dependem da disponibilidade do N, a discriminação e enriquecimento de 15 N nos compartimentos de ecossistemas podem ser proporcionais ao balanço de entrada e saída deste elemento, confirmando a aplicação do δ 15 N como indicador de mudanças no ciclo do N, em estudos que delimitam sua origem no solo em diferentes ecossistemas ou regiões com usos da terra, em estudos em áreas degradadas por conta da conversão de ambientes naturais em áreas agrícolas (YUN e RO, 2009; HÖGBERG e JOHANNISSON, 2003 apud WATSKA et al., 2006; FAO, 1986, HURNI, 1993, PICCOLO et al., 1996 apud LEMMA e OLSSON. 2006). Liao et al. (2006) avaliaram a dinâmica do N em solo onde houve substituição do padrão de vegetação original, pastagens naturais, para plantas lenhosas. Valores maiores de 15 N foram encontrados em solos sob vegetação lenhosa do que em solos sob pastagens, enriquecendo a MOS em N e evidenciando que a alteração nos valores de 15 N pode estar 21 relacionada com mudanças no padrão vegetacional da área de estudo assim como o C contido na MOS. 4.6 Mudanças ambientais resultantes do uso e ocupação do território, com enfoque para alterações das características físicas e isotópicas dos solos. O solo desempenha importante papel dentro do estudo da paisagem, pois faz ligação entre hidrosfera e atmosfera, funciona como agente armazenador, sustenta transformações e garante as funções ecossistêmicas (HAYGARTH e RITZ, 2009). Na maioria das vezes, “ecossistemas naturais apresentam uma integração harmoniosa entre a cobertura vegetal e os atributos físicos, químicos e biológicos do solo, decorrente de processos essenciais de ciclagem de nutrientes, acumulação e decomposição do material orgânico ali depositado (SILVA et al., 2007, p. 1755). Na medida em que estes ecossistemas naturais vão sendo substituídos por culturas agrícolas ou a áreas sofrem o processo de urbanização ou industrialização, alterações de impacto negativo podem ocorrer nestes atributos, provocando degradação do recurso natural solo (KAISER et al., 1995 e CENTURION et al., 2001 apud SILVA et al., 2007). A degradação afeta as condições adequadas ao crescimento e desenvolvimento de plantas, bem como a manutenção da diversidade de organismos no solo (DORAN e PARKIN, 1994 apud CARNEIRO et al., 2009). A degradação e o grau do impacto gerado geralmente estão relacionados ao uso e manejo adotados no sistema produtivo, sendo que práticas conservacionistas como adubação verde, plantio direto, cana sem queima, rotação de culturas, existência de matas ciliares e áreas de preservação permanente, entre outras, minimizam impactos negativos (KAISER er al., 1995 apud SILVA et al., 2007). Estas práticas auxiliam na manutenção e equilíbrio das relações existentes entre propriedades físicas, químicas e biológicas do solo, sendo que quando são alteradas, estrutura, atividade biológica e fertilidade podem ser diretamente impactadas (BROOKES, 1995 apud CARNEIRO et al., 2009). Sendo assim, entende-se que a variação no manejo e uso do solo pode comprometer os condicionantes necessários para o crescimento e desenvolvimento de plantas, bem como a capacidade do solo em resistir à erosão, já que os agregados do solo também podem ficar comprometidos (SCHICK et al., 2000). A relação entre as características de um solo e a forma com que se usa este solo é fundamental para a manutenção dos bens e serviços ecossistêmicos locais e regionais. Isto é porque um serviço ecossistêmico pode ser impactado se houver alteração ou manejo 22 inadequado no outro, comprometendo funções culturais, de armazenamento, fornecimento e regulagem, como ciclagem de nutrientes, suprimento de água e alimentos, controle de doenças e enchentes, serviços recreacionais, culturais, entre outros (HAYGARTH e RITZ, 2009). Se não há planejamento no manejo na ocupação da terra ou esta é inadequado ou insuficiente, as funções do solo ficam comprometidas, afetando os usos destinados a ele. A degradação do solo é um problema global e pode ser observada nas mais diversas regiões de todos os continentes (KAWY e BELAL, 2011). Em sistemas agrícolas, os solos são frequentemente impactados, expostos a estresses mecânicos e hidráulicos que causam alterações de ordem física e biológica em suas propriedades, como por exemplo, o tráfego de veículos, o clima, o próprio cultivo, entre outros (GREGORY et al., 2009; DÖRNER et al., 2011). A aplicação indiscriminada de agroquímicos nos sistemas de produção tem efeitos negativos sobre o ambiente, pois eles podem conservar-se quimicamente ativos no solo, degradar-se após a aplicação ou serem transportados para outros locais, neste caso, comprometendo a qualidade das águas superficiais e subterrâneas (SPADOTO, 2004). A contaminação pode ocorrer por meio de processos que envolvem a lixiviação dos agrotóxicos através do perfil de solo. Algumas características do agrotóxico, como sua capacidade de adsorção e potencial de solubilidade em água, e do solo favorecem este processo. Solos arenosos com baixa capacidade de retenção e de água e, portanto, com maior capacidade de infiltração favorecem a mobilidade dos agrotóxicos perfil abaixo, comprometendo a integridade da água de aquíferos. A contaminação também pode ocorrer via escoamento superficial, sendo que as águas superficiais são mais vulneráveis a este mecanismo de locomoção dos agroquímicos (FAY e SILVA, 2004; VIEIRA, 2012). Além de ser potencial contaminante em águas e solos, agroquímicos também ameaçam a micro, meso e macrofauna dos mais variados ambientes, podendo, conforme suas propriedades, ser agente bioacumulador, sendo transportado via cadeia alimentar. Podem também alterar o no ciclo da matéria orgânica, com efeitos na relação carbono/nitrogênio (C/N) e na capacidade de troca catiônica (CTC), entre outros efeitos (FAY e SILVA, 2004; VIEIRA, 2012). Para Bengtsson (2002), os distúrbios de ordem natural ou antropogênica podem ser caracterizados conforme sua frequência, duração, extensão espacial, intensidade ou severidade, admitindo escalas espaço-temporais. Entretanto, estes distúrbios são parte integral dos ecossistemas e fundamentais para sua dinâmica, sendo que os de ordem natural são 23 importantes até mesmo para manutenção da diversidade no local (CONNELL, 1978, GILLER, 1996 apud BENGTSSON, 2002). Contudo, essa dinâmica natural e, por vezes, benéfica ao ecossistema, pode ser profundamente impactada quando da interferência humana, que alterou e vem alterando de maneira significativa o regime de perturbações naturais, mudando sua frequência, intensidade e padrões espaciais, além de inserir novas variáveis, como a lavoura, pesticidas e o desflorestamento (BENGTSSON et al., 2002). Sendo assim, fatores sociais, econômicos e ambientais auxiliam na regulagem e equilíbrio de ambientes naturais ou voltados para a produção agrícola e a intervenção humana pode alterar essas condições favoráveis de tal forma que inviabilize o cultivo e comprometa a qualidade do solo, água, etc. (MARZALL, 2007). O manejo adequado do solo pode permitir que este recurso natural consiga se recuperar de situações de estresse induzidas pelos seres humanos ou não (DÖNNER et al., 2011). Quando o solo assume papel na ciclagem de nutrientes, este vem de forma a minimizar os impactos que podem ser causados ao meio, regulando emissão e absorção de C, P e N, (HAYGARTH e JARVIS, 1999, CARTON e JARVIS, 2001 apud HAYGARTH e RITZ, 2009). Entretanto, como os solos e depósitos geológicos superficiais controlam a disponibilidade e a qualidade de água, o manejo inadequado pode acarretar desequilíbrios no transporte e deposição de sedimentos, colaborando para o espalhamento destes nutrientes em lagos e rios, comprometendo flora e fauna aquática através da eutrofização dos ambientes, principalmente em águas superficiais. Outro ponto a ser considerado é que sedimentos ainda podem carregar patógenos e/ou poluentes orgânicos persistentes (POPs), afetando a vida da população que consome estas águas, bem como, no caso dos POPs, trazer efeitos negativos em longo prazo ao equilíbrio de ecossistemas aquáticos e terrestres, já que estes podem se acumular no tecido adiposo de mamíferos (HAYGARTH e RITZ, 2009; HAYGART et al., 2006). Outra função inerente ao solo e que fica comprometida por conta dos mais variados tipos de usos e manejos a ele impostos é a de ser importante reservatório de C, formado por duas componentes: C orgânico e C inorgânico do solo. O solo é o terceiro maior reservatório de C, perdendo para o oceano e depósitos geológicos, como os combustíveis fósseis. Entretanto, este pode ser empobrecido devido à substituição de ecossistemas naturais para pastagens degradadas, por exemplo (LAL, 2008). Sendo assim, o solo representa importante papel na absorção de gases do efeito estufa, sendo parte importante em termos de transferência de C para reservatórios terrestres. Solos 24 sob usos como pastagens e agricultura, que utilizam técnicas convencionais de preparo e plantio, podem ser reservatórios de C orgânico não muito eficientes, assim como solos degradados por erosão ou que sofrem pela redução de nutrientes, acidificação, lixiviação, presença de contaminantes ou poluentes, entre outros (LAL, 2008). A depleção do N pode diminuir a eficiência do sequestro do C (PAUSTIAN et al., 1997 apud LAL, 2008). No caso de monoculturas, o sequestro também é menor se comparado a um sistema de multiculturas; no caso da aplicação de fertilizantes naturais, como excremento, esta aumenta o potencial de sequestro de C em relação à aplicação de fertilizantes artificiais (LAL, 2008). No solo os organismos vivem em uma estrutura complexa, cujas condições do habitat e da disponibilidade de recursos alimentares são reguladas por componentes orgânicos e minerais. A porosidade, grau de saturação dos poros e como estes estão conectados, por exemplo, depende de e afeta as condições bióticas e abióticas do solo (ROGER-ESTRADE et al., 2010). Ou seja, esta estrutura não é somente organizada pela natureza do material parental, mas também pelo movimento de materiais orgânicos ou inorgânicos dentro do perfil de solo, o que pode ser utilizado como possível indicador de qualidade do solo (YOUNG e CRAWFORD, 2004). É no solo que processos biológicos contínuos ocorrem e auxiliam na manutenção de outros ecossistemas com ele envolvidos, sendo que a fauna do solo (englobando micro, meso e macrofauna) exerce papel fundamental no funcionamento do mesmo, contribuindo para a manutenção de diversos ecossistemas terrestres (ROGER-ESTRADE et al., 2010; DECAËNS et al., 2006). Essa manutenção ocorre através da regulagem de processos vitais como decomposição de resíduos, renovação da fertilidade do solo e purificação de água, ou seja, os organismos presentes no solo exercem funções de âmbito físico, como, por exemplo, contribuindo para a aeração do solo. No âmbito químico, envolvem o fluxo de energia e ciclagem de nutrientes, processos dependentes de complementos enzimáticos que os organismos do solo possuem (HODKINSON e WOOKEY, 1999; ADAMS e WALL, 2000). Sendo assim, perturbações procedentes do uso inadequado do solo podem diminuir a riqueza de espécies e a abundância de organismos. Ou seja, as atividades humanas contribuem para alterações no meio ambiente em escalas global e local, sendo que mudanças na estrutura e composição biótica de comunidades ecológicas podem ocorrer através da perda de habitat, excesso de nutrientes absorvidos, introdução de espécies exóticas, modificação na 25 composição e diversidade de espécies na biota do solo, entre outros (ADAMS e WALL, 2000; HOOPER et al., 2005). A erosão é a maior causa de degradação do solo em todo o mundo (VALENTIN et al., 2005). Quando os agregados do solo perdem sua estabilidade, a estrutura do solo é alterada, acarretando uma série de problemas que geralmente estão relacionados com práticas de manejo impróprias, por exemplo: ...intensa mobilização do solo durante o preparo, principalmente sob umidade baixa ou alta; tráfego de máquinas frequente e/ou com peso excessivo, igualmente em umidade do solo inadequada; perda de MOS por oxidação, principalmente devido à mobilização do solo; retirada ou queima, total ou parcial, dos resíduos vegetais, permanecendo o solo sem cobertura; sucessão de culturas com pouca produção de parte aérea e raízes pouco agressivas e falta de contínuo aporte de material orgânico ao solo, principalmente pelos resíduos da cultura anterior (VOLK, 2002). A erosão do solo causa, também, uma drástica redução na fertilidade; reduz áreas destinadas cultivadas; aumenta os custos de trabalho; acelera processos de aridificação; diminui a biomassa local; concentra o escoamento de água em seus canais; limitando a irrigação, aumentam a carga de nutrientes nas enxurradas, reduzindo qualidade da água e fertilidade solo, além de ser fonte principal quando da produção de sedimentos (VALENTIN et al., 2005). Cobrir solos cultivados com resíduos culturais ajuda a conservar a sua umidade, dissipar a energia cinética das gotas de chuva, atua como barreira ao escoamento superficial, diminuindo sua velocidade, melhora a estrutura do solo, é fonte de alimento para a biota do solo, entre outras propriedades, sendo que a prática de preparo do solo está intimamente relacionada com sua presença ou não nos campos de cultivo (VOLK et al., 2004). Dessa forma, aponta-se para a importância dos preparos conservacionistas, mais eficazes sobre o controle de perda de solo e água, pois reduzem a movimentação do solo, preservam os resíduos vegetais em superfície e elevam a rugosidade do solo, com exceção para o plantio direto, que apesar de não elevar a rugosidade superficial, é responsável pela incorporação dos resíduos vegetais nas soqueiras, aumento a resistência à erosão hídrica (SCHICK et al., 2000). Entre as práticas conservacionistas de maior importância estão as edáficas, cujo objetivo é diminuir perdas de água e solo, as vegetativas, cujo objetivo é minimizar o selamento superficial ocorrido quando da desestruturação de agregados do solo através do impacto das gotas de chuva, e as mecânicas, cujo objetivo é deter o escoamento superficial 26 usando estruturas artificiais como barreira (UFV, 2003 apud ABDON, 2004). Além disso, todas essas práticas contribuem para o melhoramento das condições físicas e químicas de solo. Como exemplo do grupo das práticas edáficas, tem-se as culturas rotativas, em que o planejamento da alternância de espécies no tempo e espaço melhora as qualidades químicas e físicas do solo (SCHICK et al., 2000), além do controle de queimadas, adubação verde, adubação química, orgânica e calagem, entre outras (ZONTA et al., 2012). Como exemplo de práticas de caráter vegetativo, tem-se o florestamento e reflorestamento, utilização de plantas de cobertura, cultivo em faixas, implantação de cordões de vegetação permanente, ceifa das plantas daninhas, adoção do sistema de plantio direto, manejo de pastagens, entre outras (BERTONI e LOMBARDI NETO, 2005). As práticas conservacionistas de caráter mecânico estruturas artificiais, como os terraços, patamares, distribuição racional dos caminhos e corredores, entre outras, são utilizadas para quebrar o efeito do comprimento excessivo de rampa e reduzir a velocidade do escoamento superficial (ZONTA et al., 2012). Sendo assim, a adoção de práticas conservacionistas de preparo e cultivo aumentam a proteção ao solo e diminuem sua perda por erosão hídrica, além de proporcionar melhorias quando das propriedades físicas, químicas e biológicas dos solos, auxiliando na manutenção da biota e proporcionando a manutenção e equilíbrio dentro do sistema produtivo e ambiental. Além de práticas conservacionistas na agricultura, também é importante a adoção de técnicas racionais de manejo dentro da atividade pecuária. Essas técnicas envolvem desde a escolha adequada do tipo de forrageira, a consorciação de forrageiras e leguminosas, adubação conforme necessidades nutricionais das plantas e deficiências nutricionais do solo, visando intensificar a produtividade do pasto. A consorciação é uma saída viável para aumentar a produtividade do pasto, melhorando a qualidade da palha e dieta animal, ao mesmo tempo em que ajuda a manter balanço positivo do N no sistema, o que favorece, também, o aumento da produtividade da forrageira (SCHUNKE, 2001). Aliado a essas técnicas, tem-se o manejo do gado, baseado no pastejo rotativo e na divisão do pasto em piquetes, evitando a superlotação e, consequentemente, o super pastejo com pressão inadequada. A importância da rotatividade está em permitir o descanso e a recuperação do pasto. A ocupação dos piquetes deve ser curta, de forma que o gado não consuma toda a forragem disponível (DA SILVA e NASCIMENTO JR., 2007; SALMAN, 2007). 27 Outra prática que indiretamente atua na conservação do solo é a implantação de sistemas agroflorestais (SAFs) e agrosilvipastoris (MAIA et al., 2006), uma vez que estes sistemas também tem o manejo conservacionista como requisito básico, além de ser um modo de produzir mais estável, promovendo melhorias na cobertura do solo, preservação da biota do solo, ciclagem de nutrientes e aporte de material orgânico, bem como abrem uma gama maior de produtos a serem cultivados (TERRA LOPES et al., 2009). Para Abdon (2004, p. 31) uma “adequada ocupação do solo deve ser feita conforme sua capacidade de uso e manejo. Além disto, o uso de práticas conservacionistas ajuda no controle de perda de solo diminuindo o processo de erosão e, para que sejam eficientes, devem ser utilizadas de forma associada”, garantindo o controle contra a perda de solo por erosão em áreas agricultáveis, a manutenção da capacidade produtiva, o que não geraria prejuízos financeiros ao agricultor e garantindo, também, o fornecimento de água para o cultivo, animais e população (ZONTA et al., 2012). O manejo conservacionista é importante, pois evita danos sociais e ambientais e interfere diretamente na qualidade ambiental das águas, já que esta fica comprometida por conta do escoamento superficial, diminuindo o potencial de recarga de lençóis freáticos, diminuindo, também, o volume de disponível às plantas, aos rios e poços de abastecimento, estando associada, inclusive, a perdas no que se refere a nutrientes e MOS nas camadas mais superficiais do solo (ZONTA et al., 2012). O uso adequado da terra deve ser o primeiro passo para a conservação do solo, utilizando-se cada parcela da propriedade de acordo com sua aptidão, capacidade de uso e produtividade econômica, de tal modo que os recursos naturais sejam colocados à disposição do homem para seu melhor uso e benefício ao mesmo tempo em que são preservados para gerações futuras (LEPSCH et al., 1991 in ZONTA et al., 2012). Dessa forma, o planejamento conservacionista tem a finalidade de maximizar a produtividade das terras agrícolas por meio de um sistema de exploração eficiente, racional e intensivo, que assegure também a continuidade da capacidade produtiva do solo. Com o planejamento conservacionista, tenta-se garantir o aproveitamento adequado da área agrícola, considerando-se as propriedades do solo, a declividade do terreno e as características das chuvas da região (ZONTA et al., 2012). 28 5 MATERIAL E MÉTODOS 5.1 Localização da área de estudo. Para testar a hipótese formulada e atingir os objetivos do presente trabalho, elegeu-se uma microbacia, denominada regionalmente como microbacia do córrego Rio Verde. Está localizada na região rural no município de Bauru – SP (Figura 5.1). O município de Bauru se localiza no cruzamento das coordenadas S 22º31’ e W 49º06’ (IBGE, 2012). Figura 5.1. Localização da área de estudo. No mapa do superior esquerdo corresponde à localização do estado de SP dentro do território brasileiro. O mapa do centro corresponde à localização do município de Bauru dentro do território do estado de SP. O mapa inferior mostra a localização da microbacia dentro do território do município de Bauru. Os polígonos quadriculados correspondem às áreas urbanizadas do município. No lado direito observa-se um fragmento da imagem do satélite Landsat-5 (não classificada) colorida falsa-cor, ano 2011, mostrando alguns aspectos da área de estudo. Mapa modificado a partir daquele apresentado por Nascimento (2012). 29 O acesso ao município de Bauru ocorre através da malha rodoviária, além da aerovia. Abriga linhas férreas, sendo, no passado, importante entroncamento das ferrovias Sorocabana e Noroeste. Hoje, a economia do município é baseada principalmente no setor de serviços, além de possuir destaque agropecuário em sua região administrativa (BARALDI, 2003). A área se configura em um cinturão de ecótono, entre remanescentes de floresta estacional semidecidual e savana florestada. Possui 27,05 km 2 , é essencialmente rural e abriga parte do bairro rural Patrimônio Rio Verde. Segundo o mapa hidrográfico disponível, trata-se de uma microbacia de 2ª ordem, analisada pelo método de Sthraler. 5.2 Características ambientais. Em termos de configuração, feições ambientais e características de uso do solo e cobertura da terra, esta microbacia atende os critérios recomendados em Arshad e Martin (2002), para fins de trabalhos sobre indicadores de qualidade do solo. As que possuem relação direta com os interesses deste trabalho são descritas a seguir. 5.2.1 Clima Na classificação de Koeppen é do tipo Aw – significando “Clima tropical chuvoso com inverno seco” (CEPAGRI, 2010). Tendo uma base de dados referentes aos anos entre 1981 e 2009, Figueiredo e Paz (2010) geraram uma tabela apresentando as médias das temperaturas mensais e anual para o período de tempo referente aos anos entre 1981 e 2009, com dados referentes às temperaturas mínimas e máximas (TMin e TMax), temperaturas médias (TMd), amplitude térmica (AmpT), além dos valores de precipitação (P) (Tabela 5.1). Tabela 5.1. Temperatura mínima (Tmin), temperatura máxima (Tmax), temperatura média (Tmédia), amplitude térmica (AmpT) e precipitação pluviométrica (P). Normais climatológicas referentes ao período 1981 - 2009. Médias Anuais Tmin (°C) Tmáx (°C) Tmédia (°C) AmpT (°C) P (mm) 17,0 28,5 22,7 11,5 1511,0 Fonte: Figueiredo e Paz (2010) Além dos dados apresentados na Tabela 5.1, para o período analisado, o mês de julho é o mês mais frio, atingindo temperatura mínima média de 13°C, e o mês mais quente é fevereiro, com temperatura máxima média de 30,7°C. O mês com menor precipitação é o mês 30 de agosto, com 35 mm; janeiro atinge 291 mm, sendo o mês mais chuvoso (FIGUEIREDO e PAZ, 2010). 5.2.2 Geologia. O município de Bauru está situado sobre rochas sedimentares do Grupo Bauru, representado pelas Formações Marília e Adamantina, formações contemporâneas ao período Cretáceo Superior, que recobrem as rochas da Formação Serra Geral (IPT, 1981). Especificamente na microbacia em análise são encontrados exclusivamente arenitos pertencentes classificados como Formação Adamantina, de coloração creme à avermelhada, provenientes da era mesozóica, de textura fina a muito fina, com presença ou não de cimentação e nódulos carbonáticos, lentes de siltitos arenosos e argilitos em bancos maciços (UGRTB, 1999) (Figura 5.2). 31 Figura 5.2. Recorte de Mapa Geológico, evidenciando microbacia do córrego Rio Verde. Mapa modificado a partir daquele apresentado por Nascimento (2012). 32 5.2.3 Geomorfologia Bauru situa-se na Bacia Sedimentar do Paraná, a qual é uma unidade geotectônica situada sobre a Plataforma Sul-Americana a partir do Devoniano Inferior (ROSS e MOROZ, 1997). Dentre as províncias geomorfológicas Bauru está situada no Planalto Ocidental Paulista, onde a paisagem é constituída por colinas amplas e baixas, com altimetria variando entre 300 e 600 m e declividade variando entre 2 e 8% (Figura 5.3), configurando características de relevos desgastados por erosão. A microbacia do Rio Verde está integralmente situada sob o domínio de colinas amplas com topos extensos e aplainados, com predominância de vertentes com perfil retilíneo e convexo, caracterizando-se como vale aberto e planícies aluviais interiores restritas (UGRHI-TB, 1999, IPT, 1981). 33 Figura 5.3. Recorte do Mapa de Declividade, evidenciando microbacia do córrego Rio Verde. Mapa modificado a partir daquele apresentado por Nascimento (2012). 34 5.2.4 Solos. Os solos do município de Bauru pertencem predominantemente às classes ARGISSOLOS e LATOSSOLOS (OLIVEIRA et al, 1999). Por serem residuais dos arenitos das Formações Marília, Adamantina e Cenozóicas, os solos são arenosos e, por serem marcados pelas variações sazonais típicas do clima tropical, são lixiviados em seu horizonte superficial, o que lhes atribui estrutura porosa e permeável. O lençol freático é profundo, e a erodibilidade e probabilidade de sofrerem colapso são elevadas, o que lhes conferem alta fragilidade ambiental (Corgui et al., 2006). Os solos da microbacia Rio Verde são classificados como LATOSSOLOS, em sua variação vermelho-escura e fase arenosa, apresentando horizonte B Latossólico, o que confere características de solos profundos, bem drenados e predominantemente arenosos (Figura 5.4) (OLIVEIRA et al, 1999). 35 Figura 5.4. Recorte Classe de solo, evidenciando a microbacia do córrego Rio Verde. Mapa modificado a partir daquele apresentado por Nascimento (2012). 36 5.2.5 Recursos hídricos. Os principais rios do município são Bauru e Batalha, inseridos nas UGRHIs Tietê – Jacaré e Tietê – Batalha, respectivamente (UGRTB, 1999), sendo que a microbacia do rio Verde está integralmente situada na UGRHI-16, Tietê – Jacaré, e inserida na APA Água Parada (Figura 5.5). Figura 5.5. Áreas de interesse ambiental em Bauru, definidas a partir dos recursos hídricos do município. Fonte: Secretaria de Planejamento Urbano de Bauru (2006). APA Água Parada APA Rio Batalha Estação Ecológica Sebastião Aleixo da Silva Microbacia do córrego Rio Verde 37 5.2.6 Fitofisionomias No município de Bauru predominam vegetações que compõem Floresta Estacional Semidecidual e Cerrado, além de áreas de contato entre uma formação e outra, podendo ser este município considerado ecótono (IBGE, 2012). O Cerrado paulista é descontínuo e ocorre predominantemente na região centro-norte do estado. No município de Bauru predominam as formações de aparência florestal, encontradas em fragmentos de vegetação. Em relação à Floresta Estacional Semidecidual no município de Bauru, ela também ocorre na forma de fragmentos, considerados remanescentes florestais. A microbacia do córrego Rio Verde está inserida em uma área de transição entre Floresta Estacional e Cerrado, além das matas ribeirinhas localizadas próximas aos cursos d’água (Figura 5.6). 38 Figura 5.6. Mapa florestal do município de Bauru/SP. Fonte: Instituto Florestal/Governo do Estado de São Paulo (2005). Microbacia do córrego Rio Verde 39 5.3 Material cartográfico e abordagem SIG. Como base cartográfica foi utilizada a carta topográfica dos municípios de Bauru/SP e do distrito de Tibiriçá, elaboradas pelo IBGE (1973), na escala de 1:50.000, com curvas de nível equidistantes de 20 em 20 metros, bem como imagens do satélite LANDSAT 5. Com base nestes materiais e no processamento digital de imagens e sistemas de informações geográficas (SIGs), foram elaborados produtos com o intuito de espacializar os pontos de coleta das amostras de solo ao longo da microbacia do córrego Rio Verde, bem como interpolar os dados de teor de C e N. Também foi elaborado mapa de cobertura da área de pesquisa, baseado nas imagens de satélites obtidas. Para o georreferenciamento das imagens foi utilizado o método de pontos de controle, representados em coordenadas UTM, que consiste na identificação de pontos existentes no terreno e na imagem, com entrada dos dados no SIG Idrisi for Windows, versão 32 (EASTMAN, 2003). Com a georreferência das imagens de satélite foram obtidos novos produtos e a partir deles é que foi possível a elaboração dos mapas, evidenciando a microbacia do córrego Rio Verde, identificada através das cotas mais altas em torno da drenagem considerada na referida carta topográfica do município de Bauru. 5.3.1 Ferramentas Como ferramenta para coleta dos dados foi usado receptor GPS Garmin eTrex. Para o processamento das imagens digitais foi utilizado o SIG Idrisi for Windows (EASTMAN, 2003). Este aplicativo que trabalha com as formas matricial e vetorial de dados. Foi desenvolvido pela Faculdade de Geografia da Clark University, Massachussets, Estados Unidos. 5.4 Procedimentos. Inicialmente e com auxílio de em equipamento receptor GPS e material cartográfico, foram escolhidos pontos dentro da microbacia, de forma a garantir que toda sua extensão fosse contemplada com pontos de coleta. O padrão de amostragem foi estratificado randômico, isto quer dizer que a área de estudo foi dividida em subgrupos considerando as classes de cobertura do solo. Dentro de cada subgrupo, ou classe de cobertura, as amostras de solo foram coletadas randomicamente. 40 5.4.1 Amostragem de solo para análises. Amostras de solos foram coletadas em 28 pontos de coleta a uma profundidade de até 0,3 m. Em outros 2 pontos de coleta as amostras foram retiradas em diferentes níveis de profundidades. Sendo assim, o total foi 32 amostras. Os trabalhos de amostragem foram conduzidos em novembro de 2011 e seguindo recomendações descritas em Santos et al. (2005). Com auxílio de trado foram coletadas e armazenadas em sacos plásticos estéreis e devidamente identificados cerca de 1 Kg de amostra de solo, retiradas em até 0,2 m de profundidade, num total de 28 pontos de amostragem. Em dois destes pontos, um representando área de pasto degradado e outro área de remanescente de vegetação (as duas classes de cobertura mais representativas), foram retiradas amostras em até 0,8 m de profundidade (0-0,2; 0,2-0,5; 0,5-0,8 m). (Figura 5.7) Figura 5.7. Pontos de coleta das amostras de solo na microbacia do córrego Rio Verde. 41 O objetivo desta estratégia de amostragem foi para determinar a composição granulométrica destes pontos, bem como entender como C e N variam em profundidade. Também foram coletados em superfície, para cada ponto amostrado, anéis de Koppec, com o intuito de determinar a densidade do solo. As análises físicas (granulometria conjunta, massa específica real dos sólidos, teor de umidade, densidade do solo, porosidade, grau de saturação) foram realizadas no Laboratório de Mecânica dos Solos da UNESP/Campus de Bauru e as análises isotópicas foram realizadas no Centro de Isótopos Estáveis Ambientais do Instituto de Biociências na UNESP/Campus de Botucatu. 5.4.2 Indicadores de erosão. Em relação aos indicadores de erosão, sua ocorrência ou não foi observada em ca