Compactação do solo; modelagem e aplicações

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1 Compactação do solo; modelagem e aplicações Moacir de Souza Dias Junior, Ph.D Departamento de Ciência do Solo Universidade Federal de Lavras msouzadj@dcs.ufla.br

2 O problema da degradação dos solos não ocorre só no Brasil. Estima-se que o total de solos degradados no mundo é de 2 bilhões de hectares (área do tamanho dos Estados Unidos e Canadá juntos). O avanço da catástrofe é de 20 milhões de hectares por ano. (

3 Principal processo de degradação física do solo compactação. A sustentabilidade e uso da terra Preservação da estrutura do solo. Recuperação natural da estrutura do solo anos compactação superficial (Dickerson, 1976; Jakolbsen, 1991) anos compactação profunda (Greacen & Sands, 1991).

4 Recuperação natural da estrutura do solo Ciclos de secagem e umedecimento Incorporação de matéria orgânica Atividades biológicas - Macrofauna: > 2 mm - Mesofauna: mm - Microfauna: < 0.2 mm Moreira, 2009

5 Recuperação natural da estrutura do solo ( Alves, M. V., 2009) Organismo Bio - estruturas Coprólitos Agregação Resíduos Canais Minhoca

6 Recuperação natural da estrutura do solo ( Alves, M. V., 2009) Organismo Bio - estruturas Cupim Cupim Canais

7 Recuperação natural da estrutura do solo ( Alves, M. V., 2009) Organismo Bio - estruturas Formiga Ninhos Canais Porosidade Aeração Difusão Infiltração Penetração de raízes

8 Solo não compactado Ar Água Sólidos Compactação do solo redução de volume expulsão de ar dos poros do solo. Ar Água Sólidos Adensamento redução de volume expulsão de água dos Água poros do solo. Sólidos Manejo inadequado

9 A compactação do solo pode ser causada pelo uso de diferentes tipos de máquinas e veículos Que podem aplicar pressões maiores do que a capacidade de suporte de carga do solo causando compactação Eucalipto

10 Cana de açúcar

11 Café

12 Magnitude das pressões estáticas aplicadas na superfície do solo Trator de pneus: kpa Trator de esteiras: kpa Skidder de esteiras: kpa Skidder de pneus: kpa Forwarder: 85 - > 125 kpa (Allmaras et al., 1988; Seixas, 1999). Implementos de preparo: 100 kpa (Hillel, 1982) Subsolador: 550 kpa (Hillel, 1982) Pisoteio Humano: 190 kpa (Lull, 1959) Gado: 330 kpa (Lull, 1959)

13 Magnitude das pressões estáticas aplicadas na superfície do solo Máquina/Equipamento Pressão de contato/pneu-esteira Frontal Traseiro Kgf/cm 2 kpa Kgf/cm 2 kpa Trator Massey Fergusson 275 4x2 TDA Trator Massey Fergusson 292 4x2 TDA Trator Massey Fergusson 299 4x2 TDA Trator John Deere x2 TDA Trator John Deere x2 TDA Trator New Holland TM 150 4x2 TDA Pulverizador autopropelido Max Sistem Plat x2 TDA Pulverizador autopropelido Max Sistem Plat x2 TDA Pulverizador autopropelido UNIPORT Jacto 4x Colhedora de cereais Massey Fergusson x Colhedora de cereais John Deere x Colhedora de algodão John Deere x Fonte: Cardoso, 2007

14 Estimativa das pressões dinâmicas aplicadas na superfície do solo pelas máquinas florestais Clambunk Pressão estática = 60 kpa (manual do fabricante) Declividade: 0-10 Carga: 30 árvores Eixo dianteiro σ m =275kPa 5 vezes Eixo traseiro σ m =460 kpa 8 vezes Declividade: 0-10 Carga: 95 árvores Eixo dianteiro σ m = 399 kpa 7 vezes Eixo traseiro σ m = 1,109 kpa 19 vezes Declividade: Carga: 30 árvores Eixo dianteiro σ m =469kPa 8 vezes Eixo traseiro σ m = 742 kpa 12 vezes Declividade: Carga: 95 árvores Eixo dianteiro σ m = 444kPa 7 vezes Eixo traseiro σ m = 752 kpa 13 vezes (Araujo Junior& Dias Junior, 2010)

15 A compactação do solo pode ocorrer na área toda.

16 Compactação em lugares específicos

17 Devido a isso A compactação do solo tem sido identificada como o principal processo causador da degradação do solo (Canillas & Salokhe, 2002, Horn et al., 2003). Redução da produtividade Portanto, é importante destacar as propriedades físicas utilizadas na IDENTIFICAÇÃO da degradação da estrutura dos solos

18 Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos Aumenta a densidade do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al., 2001) Projeto Ds antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área do tráfego Proc. Mg m -3 Estação Seca (aumento %) Buriti 1, Dourado 0, S. Leonardo 1, Estação Chuvosa (aumento %) Imbaúbas 1, Água Suja 1, Cajá Ba. 1, F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.

19 Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos Aumenta a densidade do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al., 2001) Projeto Ds antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área do tráfego Proc. Mg m -3 Estação Seca (aumento %) Buriti 1, Dourado 0, Média - 5% - - S. Leonardo 1, Estação Chuvosa (aumento %) Imbaúbas 1, Água Suja 1, Cajá Ba. 1, F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Média Forwarder; 18% M+F = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.

20 Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos Reduz a porosidade total, tamanho e continuidade dos poros (Servadio et al., 2001) Projeto PT antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área tráfego Proc. (%) Estação Seca (redução %) Buriti Dourado S. Leonardo Estação Chuvosa (redução %) Imbaúbas Água Suja Cajá F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.

21 Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos Reduz a porosidade total, tamanho e continuidade dos poros (Servadio et al., 2001) Projeto PT antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área tráfego Proc. (%) Estação Seca (redução %) Buriti Média - 4% - - Dourado S. Leonardo Estação Chuvosa (redução %) Imbaúbas Água Suja Cajá F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F Média = Manual 16% e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.

22 Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos Reduz a porosidade total e a macroporosidade 0,67 0,60 V (m 3 m -3 ) 0,30 0,37 0,21 0,39 30% 5% 11 % Valmet 785 (Gontijo, 2007)

23 Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos Aumenta a resistência do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al.,2001) R P (MPa) 2 MPa Buriti S.Leonardo Grota Sem Tráfego Tráfego Limite para Penetração das raízes Fonte: F.P. Leite

24 Efeitos negativos da compactação dos solos Reduz a aeração do solo (Gysi, 2001)

25 Efeitos negativos da compactação dos solos Aumenta a energia necessária para o preparo (Stone, 1987) Foto: S. Fonseca

26 Efeitos negativos da compactação dos solos Altera a estrutura do solo e o lugar onde as raízes desenvolvem. Sem tráfego Com tráfego Com tráfego Foto: F.P. Leite

27 Efeitos negativos da compactação dos solos Reduz a infiltração de água (Defossez & Richard, 2002) Projeto TI antes F+S H+F M+F tráfego (mm/hr) % de redução Buriti Dourado S. Leonardo Imbaúbas Aeroporto F+S = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder. Fonte: F.P. Leite

28 Efeitos negativos da compactação dos solos Reduz a drenagem interna e a redistribuição da água (Hillel, 1982) Reduz a água disponível (Ishaq et al., 2001) Sucção, kpa AD Latossolo Não compactado Compactado Umidade, kg kg -1

29 Efeitos negativos da compactação dos solos Aumenta o escorrimento superficial e o risco de erosão (Defossez & Richard, 2002; Dias Junior, 2000). Foto: F.P. Leite

30 Foto: J.M. Lima

31 Efeitos negativos da compactação dos solos Restringe a penetração de raízes devido a: Pressão de crescimento das raízes ser insuficiente para vencer a resistência mecânica do solo (Veen, 1982) GC = 95% GC = 95% GC = 95% Dose = 0 mg dm -3 Dose = 0 mg dm -3 Dose = 0 mg dm -3 Foto: S. Fonseca -3 - GC = 65% GC = 72% GC = 65% Foto: N. Curi

32 Efeitos negativos da compactação dos solos LVA AQ LV GC = 95% GC = 95% Dsi GC = Dsmáx GC = 95% -3 GC = 65% GC = 72% - GC = 65% Foto: G.A. Santos

33 Efeitos negativos da compactação dos solos O crescimento restrito das raízes pode levar a uma redução na produtividade pela limitação da água e absorção de nutrientes (Santos, 2001) GC 65% 75% 85% 95% (Santos, 2001)

34 No solo. DIAGNÓSTICO DA COMPACTAÇÃO DO SOLO - Presença de crostas - Aparecimento de trincas nos sulcos de rodagem do trator - Zonas endurecidas abaixo da superfície do solo - Empoçamento de água - Erosão pluvial excessiva - Presença de resíduos vegetais parcialmente decompostos muitos meses após sua incorporação - Necessidade de maior potência das máquinas de cultivo.

35 Na planta. DIAGNÓSTICO DA COMPACTAÇÃO DO SOLO - Baixa emergência das plantas - Variação no tamanho das plantas - Folhas amarelecidas - Sistema radicular pouco profundo - Raízes mal formadas

36 MEDIDAS PREVENTIVAS PARA EVITAR A COMPACTAÇÃO DO SOLO Manejo da água do solo - Drenagem - Irrigação Manejo do maquinário agrícola - Nível de carga por eixo - Pressão de contato das rodas - Frequência das operações Práticas agronômicas - Incorporação (manutenção) da matéria orgânica - Calagem - Sistema de plantio

37 Medidas curativas - Preparo do solo - Subsolagem - Rotação de culturas Medidas aliviatórias - Manejo da umidade do solo - Manejo da fertilidade do solo - Espécies mais resistentes aos efeitos da compactação (resistência ao stress de água e sistema radicular com maior poder de penetração)

38 O preparo de solos compactados resulta em aumento de energia e dos custos. Portanto, PREVENIR a compactação do solo é importante.

39 A prevenção da compactação do solo Modelagem da Capacidade de Suporte de Carga do Solo Ensaio de Compressão Uniaxial

40 Amostra indeformadas coletadas em anéis de 6,4 cm de diâmetro e 2,54 cm de altura usando o amostrador de Uhland. Fotos: C.F.A. Junior & B.S.Pires

41 Amostragem Ensaio de compressão uniaxial Foto: C.F.A. Junior & B.S.Pires

42 Amostragem Ensaio de compressão uniaxial Fotos: C.F.A. Junior & B.S.Pires

43 Ensaio de Compressão Uniaxial Modelos de Capacidade de Suporte de Carga As amostras indeformadas devem ser inicialmente saturadas em uma bandeja com água até 2/3 da altura da amostra por 24 h e secas ao ar no laboratório até uma determinada umidade volumétrica ou equilibradas a uma determinada sucção e então usadas no ensaio de compressão uniaxial. Fotos: C.F.A. Junior & B.S.Pires Fotos: P. S. M. Pais

44 Avaliação dos impactos das operações mecanizadas Os ensaios de compressão uniaxial realizados com amostras indeformadas coletadas com umidades nas quais as operações mecanizadas foram realizadas.

45 Ensaio de Compressão Uniaxial Consolidômetro (Boart Longyear). Amostras indeformadas. Pressões aplicadas: 25, 50, 100, 200, 400, 800 e kpa. Amostras parcialmente saturadas. Aplicação de cada pressão: até que 90% da deformação máxima seja alcançada (Taylor, 1948).

46 Curva de compressão do solo Densidade do Solo Curva de Compressão Secundária Deformações Elásticas σ p Curva de Compressão Virgem Deformações Plásticas Log Pressão Aplicada

47 Curvas de compressão do solo para diferentes umidades Densidade do Solo, Mg m Curva de compressão Secundária U, kg kg σ p Curva de compressão virgem Pressão, kpa

48 Modelo de Capacidade de Suporte de Carga 800 σ p = 10 (2,87-3,96 θ) R 2 = 0.94** Usado para determinar a capacidade de suporte de carga do solo em função da umidade volumétrica. σ p (kpa) σ p = 300 kpa 0 σ p = 120 kpa ɵ = 0,14 m 3 m -3 0,0 0,1 0,2 0,3 θ (m 3 m -3 )

49 Identificar a classe de solo mais resistente e mais suscetível à compactação σ p (kpa) LV: 10-12,5 cm - MG LVA: 10-12,5 cm: MG FX, PA, LA: 0-3 cm - ES PA: 5-10,0 cm: BA Umidade de trabalho BA e ES: 5-15% Classes de solo mais suscetíveis à compactação: FX, PA, LA ES PA - BA Classe de solo mais resistente à compactação: LV MG ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 θ (m 3 m -3 )

50 Identificar o horizonte de maior resistência mecânica σ p = 10 ( U ) R 2 = 0.91** 600 σp = 10 ( U) R 2 = 0.80** σ p (kpa) PA Horiz. A Horiz. B Horizonte B Mais restritivo ao desenvolvimento do sistema radicular ,0 0,1 0,2 0,3 U θ (m (kg 3 mkg -3 ) -1 )

51 Avaliar a eficiência do preparo do solo Pressão de Pré-consolidação Estimativa da resistência do solo na qual a elongação das raízes cessa (Römkens & Miller, 1971) Área cm Área 056 Com subsolagem Sem subsolagem Com subsolagem Profundidade (cm) PA Área 051 Área 56 Com subsolagem Sem subsolagem 80 cm Sem subsolagem Pressão de Pré-consolidação (kpa)

52 As operações realizadas com os diferentes tipos de máquinas e veículos causam ou não compactação? Transbordo e Colhedora Autocarregável Caminhão Pneu Largo Clambunk Skidder Forwarder

53 Critérios usados para identificar os impactos das operações mecanizadas sobre a estrutura do solo Capacidade de Suporte de Carga Intervalo de Confiança 95% σ p (kpa) Região onde já ocorreu a compactação do solo Região onde existe tendência em ocorrer a compactação do solo Região onde não há compactação do solo 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 θ (m 3 m -3 ) U (kg kg -1 )

54 (Severiano, 2007) Colhedora, Trator e Transbordo Identificar a operação crítica Pressão de Preconsolidação (kpa) LV: σ p = 10 (3,26-7,36U) ; R 2 = 0,88** Intervalo de confiança 95% LVA 0-3 cm 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Umidade (kg kg -1 ) Época chuvosa Manual 03/06 Época seca 11/05 08/06

55 Identificar a intensidade de tráfego que causa maior compactação do solo Autocarregável Modelo de Capacidade de Suporte de Carga Intervalo de Confiança 95% Autocarregável 3 passadas (n = 5) Pressão de Preconsolidação (kpa) Estação Chuvosa 2008 Colheita com Harvester Resíduo casca e galho Compactado: 0% 100 LV 0-3 cm 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Umidade Volumétrica (m 3 m -3 )

56 Identificar a intensidade de tráfego que causa maior compactação do solo Autocarregável Modelo de Capacidade de Suporte de Carga Intervalo de Confiança 95% Autocarregável 7 passadas (n = 5) Pressão de Preconsolidação (kpa) Estação Chuvosa 2008 Colheita com Harvester Resíduo casca e galho Compactado: 80% 100 LV 0-3 cm 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Umidade Volumétrica (m 3 m -3 )

57 Identificar a operação mecanizada que causa maior compactação do solo Feller Pressão de Preconsolidação (kpa) σmodelo p = 10 ( Capacidade 3,04-5,54 U ) Suporte R 2 = Carga 0,91** Intervalo de confiança 95% Feller 1996 Argissolo Amarelo Horiz. A 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade θ (m 3 (kg m -3 ) kg -1 ) Compactado: 11%

58 Identificar a operação mecanizada que causa maior compactação do solo Pressão de Preconsolidação (kpa) Modelo σ p = 10 Capacidade ( 3,04-5,54 Suporte U ) R 2 Carga = 0,91** Intervalo de confiança 95% Processador 1996 Argissolo Amarelo Horiz. A Compactado: 44% 0 0,0 0,1 0,2 0,3 Processador θ (m 3 m -3 ) Umidade (kg kg -1 )

59 Identificar a operação mecanizada que causa maior compactação do solo Forwarder Pressão de Preconsolidação (kpa) σmodelo p = 10 ( Capacidade 3,04-5,54 U ) Suporte R 2 = Carga 0,91** Intervalo de confiança 95% Forwarder 1996 Argissolo Amarelo Horiz. A 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade θ (m 3 (kg m -3 kg ) -1 ) Compactado: 63%

60 A operação crítica da colheita do eucalipto FORWARDER Medir as pressões de pré-consolidação durante um ciclo do eucalipto Recuperação natural da estrutura do solo

61 Recuperação natural da estrutura do solo Forwarder Pressão de Preconsolidação (kpa) σmodelo p = 10 (2,88 Capacidade - 3,95 U) RSuporte 2 = 0,86** Carga (n = 76) Intervalo de confiança 95% Forwarder 1996 Forwarder 1998 Forwarder 2000 Forwarder 2002 Forwarder 2004 b c a Argissolo Amarelo Horiz. A % 22% 11% 4% 7% 37% 74% 85% 92% 93% 0% 4% 4% 4% 0% 0,0 0,1 0,2 0,3 a b c Compactado Umidade θ (m 3 (kg m -3 kg ) -1 )

62 Recuperação natural da estrutura do solo Forwarder Pressão de Preconsolidação (kpa) σmodelo p = 10 (2,88 Capacidade - 3,95 U) Suporte R 2 = 0,86** Carga (n = 76) Intervalo de confiança 95% Forwarder Após a colheita Forwarder Antes da colheita Forwarder Após a colheita b c a Argissolo Amarelo Horiz. A Após colheita Antes colheita Após colheita a 63% 7% 67% b c 37% 0% 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade θ (m 3 m(kg -3 ) kg -1 ) 93% 0% 33% 0% Compactado

63 Identificar o efeito do resíduo (Sem resíduos) LA 2 passadas 8 passadas Foto: A.R. Silva

64 Identificar o efeito do resíduo (Galhada) Galhada (G) Foto: A.R. Silva

65 Identificar o efeito do resíduo (Galhada e Casca) Foto: A.R. Silva

66 Identificar o efeito do resíduo Latossolo Amarelo - Guanhães - MG Resíduos Profundidade cm Calhada e casca Galhada Solo sem resíduo % de amostras compactadas 2 passadas de um Forwarder de pneus passadas de um Forwarder de pneus (Silva, 2006)

67 Mapas de isolinhas Finalidade de estimar: A capacidade de suporte de carga (logística de operações) A suscetibilidade à compactação Resistência ao preparo (Gontijo, 2007)

68 Considerações Finais A pressão de pré-consolidação deve ser a máxima pressão a ser aplicada ao solo para que a degradação de sua estrutura seja evitada. Os modelos de capacidade de suporte de carga predizem a máxima pressão que o solo pode suportar sem sofrer compactação e, portanto, degradação da estrutura do solo em função da pressão de pré-consolidação e da umidade. Espera-se que em estudos futuros de degradação da estrutura do solo, os modelos de capacidade de suporte de carga possam ser utilizados como uma ferramenta preventiva da compactação do solo.

69 Obrigado