RESSALVA Atendendo solicitação do(a) autor(a), o texto completo desta tese será disponibilizado somente a partir de 25/11/2022. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP CÂMPUS DE JABOTICABAL EFEITO DA FONTE E DOSE DE NITROGÊNIO NA EMISSÃO DE GASES DE EFEITO ESTUFA, ACÚMULO DE FORRAGEM E COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE Urochloa brizantha CV MARANDU Darlena Caroline da Cruz Corrêa Engenheira Agrônoma Mestre em Ciência animal 2021 Ccffafa UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP CÂMPUS DE JABOTICABAL EFEITO DA FONTE E DOSE DE NITROGÊNIO NA EMISSÃO DE GASES DE EFEITO ESTUFA, ACÚMULO DE FORRAGEM E COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE Urochloa brizantha CV MARANDU Darlena Caroline da Cruz Corrêa Orientadora: Profa. Dra. Ana Cláudia Ruggieri Coorientador: Dr. Abmael da Silva Cardoso 2021 Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias – Unesp, Câmpus de Jaboticabal, como parte das exigências para a obtenção do Título de Doutora em Zootecnia. 3 4 5 DADOS CURRICULARES DO AUTOR DARLENA CAROLINE DA CRUZ CORRÊA – nascida em 26 de maio de 1992 no município de Castanhal, Pará, iniciou o curso de graduação em Agronomia no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará (IFPa), Castanhal - PA, em março de 2010. Durante a graduação foi bolsista do Programa de Educação Tutorial (PET), sob tutoria da Profª Dra Louise Ferreira Rosal, e foi monitora da disciplina de Zootecnia sob orientação da Profª Dra Célia Maria Costa Guimarães. Em fevereiro de 2015 diplomou-se Engenheira Agrônoma e em março do mesmo ano ingressou no Mestrado em Ciência Animal, com bolsa de estudos da Capes, na Universidade Federal do Pará – UFPa – Campus de Castanhal – PA, onde desenvolveu estudos na área de Forragicultura sob orientação do Prof. Dr. Felipe Nogueira Domingues. Recebeu o título de Mestre em Ciência Animal em fevereiro de 2017. Em março do mesmo ano, iniciou o Doutorado em Zootecnia pela Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias – UNESP – Campus de Jaboticabal – SP, com bolsa de estudos da Capes, na área de Forragicultura e pastagens sob orientação da Profa. Dra. Ana Cláudia Ruggieri, e coorientação do Dr. Abmael da Silva Cardoso. 6 Epígrafe “Não fui eu que lhe ordenei? Seja forte e corajoso! Não se apavore, nem se desanime, pois o Senhor, o seu Deus, estará com você por onde você andar". (Josué 1:9) 7 Dedicatória Aos meus pais, Joana D’arc e Francisco, pelo amor, carinho, apoio e orações. 8 AGRADECIMENTOS A Deus. Aos meus pais, Joana D’arc e Francisco. À toda a minha família, meus avós Darcy e Helena pelo indescritível amor, as minhas tias que sempre me apoiaram e me incentivaram nessa trajetória, a minha prima Amanda por sempre acreditar em mim e por me dar sempre uma palavra de ânimo, aos meus irmãos, tios e primos por todo tempo estarem em meu apoio. À minha querida orientadora Ana Cláudia, pela oportunidade, por acreditar em mim e no meu trabalho, mesmo nos momentos em que falhei; pela amizade e ensinamentos durante esses quatro anos. Ao meu coorientador Dr. Abmael Cardoso, pela ajuda, ensinamentos, amizade e toda contribuição nesta caminhada científica. Ao Prof. Ricardo Reis pelo incentivo, amizade e contribuição ímpar na construção deste trabalho. Aos meus amigos e funcionários do setor de Forragicultura e Pastagens e da Fazenda (FEPE/FCAV), Renato, Tião e Uanderson. A todos os TT3 e estagiários do setor de Forragicultura e Pastagens, especialmente ao Pedro (Bombado) e ao Rodolfo (Coalho) que me ajudaram durante todo o experimento. À Natália (Tékinfin), Amanda (Budweiser), Nayara (Curtida) e Lourene (Birita) que me ajudaram na condução do experimento e que eu tive a oportunidade de coorientar. Aos meus queridos amigos Ariana, Débora, Mariane, Marina e Nauara por toda ajuda concedida, amizade e companheirismo dentro e fora da Unesp. A todos meus amigos do IFPA - Castanhal, que mesmo distantes sempre me incentivaram, em especial a Profa Dra Célia Guimarães, Thais, Thatiane e Virgínia que sempre me enchem de alegria, e a cada encontro me mostram o valor da verdadeira amizade. Aos meus inestimáveis amigos estrangeiros, que tive o prazer de conviver em Jaboticabal, Andrés, David, Fernando, Alex, Caled e Freddy, pelo companheirismo e alegrias compartilhadas. A Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias/UNESP – Jaboticabal e ao Programa de Pós-Graduação em Zootecnia. 9 À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP, pelo auxílio financeiro para desenvolvimento desta pesquisa – processos nº 2015/16631-5; 2017/11274-5; 2017/20279-0 e 2017/02914-0. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq – processo nº 431713/2018-9. O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001. 1 SUMÁRIO Página RESUMO..................................................................................................... ii ABSTRACT.................................................................................................. iii LISTA DE TABELAS.................................................................................... iv LISTA DE FIGURAS.................................................................................... v CAPÍTULO 1 – Considerações gerais......................................................... 1 1. Introdução................................................................................................ 1 2. Revisão de literatura................................................................................ 2 2.1. Pecuária e pastagens de gramíneas tropicais...................................... 2 2.2. Urochloa brizanta cv Marandu.............................................................. 4 2.3. Respostas das gramíneas forrageiras ao nitrogênio............................. 5 2.4. Fertilizantes nitrogenados..................................................................... 7 2.5. Os gases de efeito estufa e a pecuária................................................. 10 2.6. Volatilização de amônia por fertilizantes nitrogenados......................... 14 3. Referências.............................................................................................. 17 CAPÍTULO 2 - Ammonia volatilization, forage accumulation, and nutritive value of marandu palisade grass pastures in different N sources and doses……………………………………………………………………………... 25 Abstract………………………………………………………………..…………. 25 Introduction................................................................................................... 26 Materials and methods…………………………….……………………………. 28 Results……………………………………………….…………………………… 33 Discussion…………………………………………..……………………………. 41 Conclusion…………………………………………..…………………………… 47 References………………………………………………………………..……... 48 CAPÍTULO 3 – Are CH4, CO2 and N2O emissions from soil affected by the sources and doses of N in warm-season pastures?...................................................................................................... 57 Abstract…………………………………………………..………………………. 57 Introdution………………………………………………………….…………….. 57 Materials and methods…………………………………………….……………. 58 Results......................................................................................................... 60 Discussion.................................................................................................... 68 Conclusions.................................................................................................. 73 References................................................................................................... 74 i 2 EFEITO DA FONTE E DOSE DE NITROGÊNIO NA EMISSÃO DE GASES DE EFEITO ESTUFA, ACÚMULO DE FORRAGEM E COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE Urochloa brizantha CV MARANDU RESUMO – A intensificação da produção em pastagens ocasionou o aumento do uso de fertilizantes nitrogenados, prática que merece atenção devido ao alto potencial de perda de nitrogênio (N) por volatilização, e que também pode alterar os fluxos de gases de efeito estufa (GEE) do solo como o dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N2O) e metano (CH4). A magnitude dessas emissões em pastagens tropicais ainda é pouco conhecida e o entendimento dos fatores que as modificam pode ajudar a mitigar a emissão de GEE e melhorar a eficiência da fertilização com N. O objetivo desta pesquisa foi investigar os efeitos de três fertilizantes (ureia, sulfato de amônio e nitrato de amônio) aplicados de forma única e parcelada, e quatro doses (0, 90, 180 e 270 kg ha-1 ano-1) de N, nos fluxos de CO2, N2O e CH4, na volatilização de amônia (NH3) e nas características produtivas e químicas da forragem em pastagem de capim U. brizantha cv Marandu. A captação do N perdido como NH3 foi realizada de acordo com a técnica de câmaras semi-abertas. Para avaliação da forragem, foram feitas parcelas de 3x4 m manejadas em regime de cortes a uma altura de dossel de 30 cm e resíduo de 15 cm e realizadas as análises químicas de proteína bruta (PB), fibra em detergente ácido (FDN) e fibra em detergente neutro (FDA). As emissões de GEE foram medidas usando câmaras estáticas fechadas e as análises dos gases realizadas por cromatografia gasosa. As perdas por volatilização de NH3 provenientes dos fertilizantes com N nas formas nítrica e amoniacal foram menores que a da ureia, e o parcelamento da fertilização reduziu em média 47% as perdas de N. A fertilização nitrogenada aumentou linearmente o acúmulo de forragem apresentando médias de 232, 264, 285 e 304 kg ha-1 dia-1 nas doses de 0, 90, 180 e 270 kg ha-1 ano-1, respectivamente. Os teores de PB e FDN aumentaram linearmente com o aumento das doses de N. Os fatores de emissão (FE) de NH3 foram de 20,69; 3,70 e 2,82% nos fertilizantes ureia, nitrato e sulfato de amônio, respectivamente, diferindo dos padrões estabelecidos pelo IPCC. Os fluxos de N2O, CH4 e CO2 do solo não variaram em função dos fertilizantes e doses de N. Os fluxos de GEE diferiram em função das condições climáticas e as principais variáveis determinantes que controlam as emissões foram espaços porosos saturados com água (%EPSA), temperatura e teor de (N amoniacal) N-NH4 +. Os FE de N2O foram 0,35; 0,24 e 0,21% nos fertilizantes ureia, nitrato e sulfato de amônio, quando a fertilização foi parcelada, diferindo do FE padrão do IPCC. As condições ambientais impactaram diretamente nas respostas da planta e dos gases. A utilização de fertilizantes alternativos a ureia pode diminuir as perdas de N por volatilização e aumentar o acúmulo de forragem, ao passo que, o fracionamento da fertilização, além de diminuir perdas de NH3 reduzem as emissões de N2O, mostrando-se uma alternativa para a mitigação de GEE. Palavras-chave: Fertilizantes nitrogenados, capim-marandu, volatilização, N2O, fator de emissão, gases de efeito estufa. ii 3 EFFECT OF NITROGEN SOURCE AND DOSE ON GREENHOUSE GAS EMISSION, FORAGE ACCUMULATION AND CHEMICAL COMPOSITION OF Urochloa brizantha CV MARANDU ABSTRACT – The intensification of pasture production increased nitrogen (N) fertilizers use. A practice that deserves attention due to the high potential for N loss through volatilization, which can also alter the fluxes of greenhouse gases (GHG) from the soil, such as dioxide carbon (CO2), nitrous oxide (N2O), and methane (CH4). The magnitude of these emissions in tropical pastures is still poorly understood. Understanding the factors that modify them may help mitigate GHG emissions and improve the N fertilization efficiency. The objective of this research was to investigate the effects of different sources (urea, ammonium sulfate and ammonium nitrate) applied in a unique and parceled way, and doses (0, 90, 180 and 270 kg ha-1 year-1) of N, in the CO2, N2O, and CH4 fluxes, in the ammonia (NH3) volatilization and in the forage production and chemical characteristics in pasture of U. brizantha cv Marandu grass. The capture of N lost as NH3 volatilized was performed according to the semi-open chamber technique. For forage evaluation, plots of 3x4 m were managed in a cutting regime at a canopy height of 30 cm and stubble height of 15 cm and the chemical analysis of crude protein (CP), neutral detergent fiber (NDF) and acid detergent fiber (ADF) were performed. Greenhouse gases emissions were measured using closed static chambers and gas analysis performed by gas chromatography. Ammonia volatilization from nitrate and ammonium were lower than urea, and parceled fertilization reduced on average 47% N losses. Nitrogen fertilizer linearly increased forage accumulation (232, 264, 285, and 304 kg ha-1 day-1 at doses of 0, 90, 180, and 270 kg ha-1 year-1, respectively. The contents of CP and NDF were significantly affected by increasing doses of N, with linear effect of the two variables. The emission factors (EF) of NH3 were 20.69, 3.70, and 2.82% for urea, nitrate, and ammonium sulfate, respectively, differing from the default value estimated by the IPCC. Soil N2O, CH4, and CO2 fluxes did not vary as a function of N sources and doses. The GHG fluxes differed depending on climatic conditions and the main determinant variables controlling emissions were water filled pore spaces (%WFPS), temperature, and (amoniacal N) NH4-N content. The EF of N2O were 0.35, 0.24, and 0.21% in urea, nitrate and ammonium sulfate fertilizers when fertilization was applied in split doses, differing from the IPCC standard EF. Environmental conditions directly impacted plant and gas responses. The use of alternative sources to urea can decrease N losses by NH3 volatilization and increase forage accumulation, while split fertilization, besides decreasing NH3 losses, reduces N2O emissions, proving to be an alternative for GHG mitigation. Keywords: Nitrogen fertilizers, marandu grass, volatilization, N2O, emission factor, greenhouse gases. iii 4 LISTA DE TABELAS pg CAPÍTULO 2 - Ammonia volatilization, forage accumulation, and nutritive value of Marandu palisade grass pastures in different N fertilizers and doses…………………………………………………………………………….. 25 Table 1. Emission factor (EF) in marandu palisade grass pastures in fertilization with different N sources and doses in two experiments... 37 Table 2. Crude protein (CP), neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF) of marandu palisade grass pastures in fertilization with different N fertilizers and doses........................................................ 40 CAPÍTULO 3 - Are CH4, CO2, and N2O Emissions from Soil Affected by the Sources and Doses of N in Warm-Season Pasture?............................ 57 Table 1. Soil chemical attributes of the experimental area at the depth of 0 – 20 cm, Jaboticabal– SP…………………………………………….. 58 Table 2. Multiple linear regression to determine the association between edaphoclimatic variables and greenhouse gas emissions………….. 62 Table 3. Cumulative CH4 (mg CH4 m-2), CO2 (mg CO2 m-2) and N2O (mg N2O m-2) emissions from Marandu pastures fertilized with different N sources and doses in two experiments.…………………………… 68 Table 4. Anual N2O emission fator (g N per 100 g N applied)……………….. 68 iv 5 LISTA DE FIGURAS pg CAPÍTULO 1 – Considerações Gerais........................................................ 1 Figura 1. Ciclo do nitrogênio no sistema solo-planta-atmosfera.................. 6 CAPÍTULO 2 - Ammonia volatilization, forage accumulation, and nutritive value of Marandu palisade grass pastures in different N fertilizers and doses…………………………………………………………………………….. 25 Fig. 1. Daily air temperature (minimum, medium, and maximum T; ºC) and daily rainfall (R; mm). Data from the Agrometeorological Station, Department of Exact Sciences, FCAV / UNESP. (a) Experiment 1, (b) Experiment 2, and (c) Experiment 3. Arrows indicate fertilization events.……………………………………………………………….…... 34 Fig. 2. Daily ammonia volatilization in marandu palisade grass pastures under fertilization with fertililizers and doses of N. (a) experiment 1, single application (b) experiment 2, 1st fertilization, (c) experiment 2, 2nd fertilization, and (d) experiment 2, 3rd fertilization. U : urea, N : ammonium nitrate, S : ammonium sulfate……………………….. 36 Fig. 3. Forage accumulation rate (FAR, kg ha-1 DM day-1) and total forage accumulation (kg ha-1) of marandu palisade grass pasture in fertilization with N fertilizers and doses. (a) effect of N fertilizers on the FAR, (b) effect of doses of N on the FAR, (c) effect of cuts on the FAR, (d) effect of N fertilizers on the total accumulation, € effect of doses of N on the total accumulation.……………………………… 38 CAPÍTULO 3 - Are CH4, CO2, and N2O Emissions from Soil Affected by the Sources and Doses of N in Warm-Season Pasture?............................ 57 Figure 1. Daily air temperature (minimum, medium and maximum) and daily rainfall. Data were obtained from the Agrometeorological Station, Department of Exact Sciences, FCAV / UNESP, located 1.5 km from the experiment site. Experiment 1 (a) and 2 (b)………... 61 Figure 2. Descriptive averages of water–filled pore space (%) in experiment 1 (a) and 2 (b)……………………………………………… 62 Figure 3. Descriptive of average CH4 fluxes (µg m−2 h−1) from pastures managed with N fertilizers in two experiments. (A) Urea, (B) ammonium nitrate, and (C) ammonium sulfate in experiment 1. (D) 64 v 6 Urea, (E) ammonium nitrate, and (F) ammonium sulfate in experiment 2..................................................................................... Figure 4. Descriptive average of CO2 fluxes (mg m−2 h−1) of pastures fertilized with N fertilizers in two experiments: experiment 1: (A) urea, (B) ammonium nitrate, (C) ammonium sulfate; experiment 2: (D) urea, (E) ammonium nitrate, (F) ammonium sulfate……………. 65 Figure 5. Descriptive averages of N2O fluxes (µg m−2 h−1) from pastures managed with N fertilizers in two experiments. (A) Urea, (B) ammonium nitrate, and (C) ammonium sulfate in experiment 1. (D) Urea, (E) ammonium nitrate, and (F) ammonium sulfate in experiment 2……………………………............................................. 66 Figure 6. Descriptive averages of NH4–N content of soil (mg NH4–N kg−1 dry soil). Experiment 1 (A) and 2 (B)………………………………….. 67 Figure 7. Descriptive averages of NO3–N content of soil (mg NO3–N kg−1 dry soil). Experiment 1 (A) and 2 (B)…………………………………... 67 1 CAPÍTULO 1 – Considerações Gerais 1. INTRODUÇÃO Devido ao aumento da população global e consequente demanda por mais alimentos, os sistemas de produção de ruminantes estão em constante intensificação, visando aumentar a eficiência na exploração das áreas de pastagens e o aumento do lucro. Desta forma, as diferentes práticas de manejo adotadas interferem direta e indiretamente nos fluxos de gases de efeito estufa (GEE). O setor agropecuário é responsável por 31,3% das emissões de GEE no Brasil, sendo responsável por 61% e 82% das emissões totais brasileiras de óxido nitroso (N2O) e metano (CH4), respectivamente (MCTI, 2017). Na intensificação dos sistemas de produção pecuária, a combinação do uso de tecnologias, como a melhoria das técnicas de manejo do pasto e do incremento na suplementação alimentar dos rebanhos, tem potencial para melhorar a produtividade animal e das pastagens, sendo possível contribuir para mitigação das emissões de GEE. Neste cenário, a produção forrageira tem importância fundamental, e a fertilização nitrogenada é uma das práticas utilizadas para maximizar as produções de forragem e melhorar sua qualidade (DUPAS et al., 2016). A importação de fertilizantes pelo Brasil tem aumentado consideravelmente. De acordo com a Food and Agriculture Organization (FAO), atualmente o país é o quarto no ranking dos maiores consumidores de fertilizantes sintéticos do mundo, sobretudo de fertilizantes nitrogenados sendo que o aumento desta utilização está vinculado diretamente a crescente fertilização de pastagens (PIRES et al., 2015; TIRITAN et al., 2016). Ao passo que a fertilização com nitrogênio (N) melhora as características produtivas e químicas da forragem, o aumento deposição de N também tem impacto nas perdas de N para o sistema e nos fluxos de GEE do solo (HOFMAN e CLEEMPUT, 2004; JONES et al., 2005). A fertilização nitrogenada, especialmente com ureia, provoca perdas principalmente por volatilização de amônia (NH3) e emissões de N2O, resultando em menor eficiência de uso de N e maiores preocupações ambientais (HARRISON e WEBB, 2001; RAIJ, 2017). Nessa perspectiva, o emprego de 2 fertilizantes que ocasionem menores perdas é uma estratégia capaz de aumentar a eficiência de utilização do N pelas plantas e diminuir as emissões de GEE (LIU et al., 2017). São amplos os estudos avaliando o efeito da deposição de N em diferentes ecossistemas, contudo, o impacto da deposição de N na produção e/ou consumo de GEE e nas perdas por volatilização de amônia em pastagens não é bem compreendido, e pesquisas que reportam os fluxos de gases do solo e características da forragem em função de diferentes fertilizantes ainda não foram realizadas em pastagens tropicais. As hipóteses desta pesquisa são: i) as emissões de GEE são diferentes entre os fertilizantes nitrogenados e aumentam conforme a elevação da dose ii) as menores perdas de N por volatilização são verificadas nos fertilizantes com N na forma amoniacal e nítrica; iii) o aumento na dose de N aumenta a produção e melhora a composição química da forragem; iv) existe variação nos fluxos de gases de acordo com as condições climáticas da região. Em função das hipóteses apresentadas os dois objetivos principais desta Tese são: i) Quantificar as emissões de gases de efeito estufa (CO2, CH4 e N2O) e a volatilização de N-NH3 do solo em pastos de Urochloa brizantha cv marandu sob fertilização nitrogenada em diferentes condições climáticas ii) Avaliar o efeito das diferentes fertilizações no acúmulo e na composição química da forragem. 17 3. REFERÊNCIAS Andrade RG, Bolfe ÉL, Victoria DC, Nogueira SF (2016) Recuperação de pastagens no cerrado. AgroAnalysis 36:30-32. 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