Impactos ambientais dos fertilizantes e sua mitigação

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA LUIZ DE QUEIROZ DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DO SOLO RECUPERAÇÃO DE ÁREAS DEGRADADAS Impactos ambientais dos fertilizantes e sua mitigação Prof. Dr. Rafael Otto Piracicaba, SP Setembro de 2015

2 INTRODUÇÃO 2050: 2 a 3 bilhões a mais de pessoas (70% nas cidades); renda per capita três vezes maior; consumindo duas vezes mais É preciso reformar o sistema agroalimentar para: (i) aumentar a produção, (ii) sem prejudicar a biodiversidade Fonte: Clay, J. (2011)- Nature

3 TECNOLOGIAS QUE PERMITEM POUPAR O USO DA TERRA 1. Melhoramento genético 2. Uso de corretivos e fertilizantes 3. Irrigação 4. Rotação de culturas 5. Intensidade de cultivos 6. Práticas agrícolas (plantio direto, conservação do solo, densidade de semearura, etc)

4 Fertilizantes minerais são materiais naturais ou manufaturados que contêm elementos essenciais para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Três nutrientes são aplicados em maiores quantidades: - Nitrogênio (N) - Fósforo (P 2 O 5 ) - Potássio (K 2 O) Fertilizantes Demais nutrientes também são aplicados: - Enxofre - Cálcio - Magnésio - Micronutrientes (B, Cu, Fe, Mn, Zn, Mo, Ni)

5 Fertilizantes Os nutrientes são constituintes de muitos componentes das plantas: - Proteínas - Ácidos nucléicos - Clorofila E são essenciais para processos tais como: -Transferência de energia - Manutenção da pressão interna - Ação enzimática

6 Fertilizantes Funções dos fertilizantes: - Suplementar a disponibilidade natural do solo para satisfazer a demanda de culturas que apresentam alto potencial produtivo -Compensar a perda de nutrientes decorrentes da remoção da culturas, por lixiviação ou perdas gasosas - Melhorar as condições não favoráveis ou manter boas condições do solo para produção das culturas

7 Conceito de Adubação CHUVA FERTILIZANTE FIXAÇÃO Cu 2+, Mn 2+, Zn 2+, Fe 2+, H 2 PO 4 - ABSORÇÃO SOLO LIXIVIAÇÃO Cl - > H 3 BO 3 > NO 3- > SO 4 = > MoO 4 = K + > NH 4+ > Mg 2+ > Ca 2+ VOLATILIZAÇÃO N (NH 3 ) DESNITRIFICAÇÃO N 2, N 2 O EROSÃO Todos os nutrientes Adubação = ( Planta Solo ) x f

8 Volatilização (30% - 60%) Desnitrificação N 2 O; N 2 Assimilação pelas plantas (30% - 70%) Desnitrificação (< 3%) NH 3 NH 4 + (uréia) NO 3 - Lixiviação (< 10%)

9 É essencial utilizar os fertilizantes adequadamente para evitar problemas ambientais

10 FERTILIZANTES NITROGENADOS

11 Fertilizantes Nitrogenados Macronutriente Primário ou Nobre N P 2 O 5 K 2 O É o mais utilizado, mais extraído e o mais exportado pelas culturas É o nutriente de obtenção mais cara e pode apresentar perdas por lixiviação (contaminando o lençol freático) Não é constituinte de qualquer rocha terrestre Portanto: Utilizar adequadamente

12 Fertilizantes Nitrogenados Atmosfera: Possui 78% de nitrogênio em volume na forma de gás inerte (N 2 ) t de N Conclusão: Todo o N do solo vem da atmosfera

13 Obtenção do Nitrogênio reação de síntese 6 e - N H 2 2 NH 3 Ar 400º C 300 ATM Amônia (82% N) Gás natural Gás residual Nafta N 2 N N Ar Atmosférico 10 7 t N 225,8 Kcal / Mol

14 SÍNTESE DE NH Alemanha Idealizador: Fritz Haber Larga escala: Carl Bosch (BASF) Primeira Guerra Mundial Produção de explosivos (Nitrato de Sódio-Chile) Prêmio Nobel: Haber (1920) e Bosch (1931) Early NH 3 plant at Oppau, Germany (1913) Source: Smil (2001)

15 SÍNTESE DE NH * Museu de Berlim * BASF *Planta industrial em Trinidad

16 A síntese industrial de amônia a partir do N 2 e H foi mais importante do que a invenção do avião, da energia nuclear, dos vôos espaciais e da televisão. A expansão da população mundial de 1,6 bilhões para os atuais 6 bilhões de pessoas não seria possível sem a síntese de amônia Fonte: Smil (2001) Enriquecendo a terra

17 Fontes de N a partir da NH 3 - Fontes Tradicionais + O 2 HNO 3 + H 2 SO 4 + fosfatos de rocha + NH 3 + Na 2 CO 3 Nitrofosfatos Nitrato de amônio (NH 4 NO 3 ) Nitrato de sódio (NaNO 3 ) Sulfato de amônio [(NH 4 ) 2 SO 4 ] NH 3 + CO 2 + H 2 O + NH 4 NO 3 + Uréia + H 2 O Uréia [CO(NH 2 ) 2 ] Aquamônia (NH 4 OH) Soluções com N + H 3 PO 4 LOPES, Fosfatos de amônio (MAP e DAP) (NH 4 H 2 PO 4 ) e [(NH 4 ) 2 HPO 4 ]

18 POSSÍVEIS IMPACOS AMBIENTAIS RELACIONADOS AOS FERTILIZANTES NITROGENADOS

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21 Fertilizer nutrient use on arable and permanent crop area by country N + P2O5 (Average ) Fonte: FAOSTAT (2014)

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23 CICLO DO NITROGÊNIO NO SOLO Fonte:

24 TRANSFORMAÇÕES DO N DO SOLO 1. MINERALIZAÇÃO: N org N mineral (NH 4+ ) 2. NITRIFICAÇÃO: NH 4 + NO 3-3. DESNITRIFICAÇÃO: NO 3 - N 2 O 4. VOLATILIZAÇÃO: NH 4 + NH 3 5. LIXIVIAÇÃO: NO 3 - Águas subterrâneas 6. FIXAÇÃO: N 2 NH 3 7. ABSORÇÃO: NH 4+ e NO 3 - Plantas

25 1. LIXIVIAÇÃO DE NITRATO (NO 3- ) Altas taxas de NO 3- está associado com: - Metahemoglobinemia em crianças e ruminantes - Câncer no intestino - Problemas durante a gestação (má formação) - Ataque do coração Eutrofização de recursos hídricos Limite aceito pela legislação: 10 mg N L -1

26 Um processo oxidativo Etapa 1 Nitrificação 2NH O 2 2NO H 2 O + 4H + Etapa 2 2NO 2- + O 2 2NO 3 - Realizado por bactérias do solo Etapa 1 devido a Nitrosomonas Etapa 2 devido a Nitrobacter Ambos grupos são quimiautotróficos aeróbios - C do CO 2 - Energia da oxidação do N

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28 2. VOLATILIZAÇÃO DE AMÔNIA (NH 3 ) NH 3 pode ser oxidado e convertido para ácido nítrico Associação entre HNO 3 e H 2 SO 4 (indústrias) pode formar chuva ácida Prejudicial à vegetação e acidificação de lagos

29 NH 3 SOLO Até 60% CO(NH 2 ) 2 + H 2 O UREASE NH 3 + CO 2 Necessário incorporação dificultação pela palha Vieira, 2009

30 3. EMISSÃO DE ÓXIDO NITROSO Atividades agrícolas: 70% das emissões causadas pelo homem Destruição da camada de ozônio: exposição à radiação ultravioleta excessiva e aquecimento global Industrialização também contribui! N2O (ppb) Anos

31 Processo anaeróbio Desnitrificação Gases formados pela redução do NO 3 - NO 3- NO 2- NO N 2 O N 2 Ocorre em solos alagados ou com alta umidade Carreado por bactérias - Principalmente heterotróficas - Podem viver com ou sem O 2 NO N 2 O ATP ATP ATP ATP NO 3 - NO 2 - [NO] N 2 O N 2 Fonte: Weike et al., 2001

32 Desnitrificação Nitrificação Desnitrificação Fonte: Bowman, 1998

33 Implicações ambientais da desnitrificação Efeitos adversos Emissão de N 2 O Problemas ambientais do N 2 O Um gás de efeito estufa mais potente do que CO 2 por unidade de massa Promove destruição do ozônio estratosférico Fator de emissão de N 2 O dos fertiliz. nitrogenados IPCC: 1 % da dose de N aplicada

34 Estratégias para controlar a desnitrificação Inibidores de nitrificação

35 4. POLUIÇÃO DO AR E ÁGUA NA FABRICAÇÃO DE FERTILIZANTES Carbon cost of N fertilizer (Schlesinger, 1999) - 0,375 mol CO 2 / mol N: estequiometria da reação Haber-Bosch 3 CH H 2 O 3 CO H 2 4 N H 2 8 NH 3-0,58 mol CO 2 / mol N: custo da manufatura do fertilizante TOTAL = 1,426 mol CO 2 / mol N: manufatura do fertilizante, armazenamento, transporte e aplicação Emissão de SO 2 e particulados (poeira)

36 5. ACIDIFICAÇÃO DO SOLO Adubos amoniacais: são de caráter ácido, em virtude da presença do íon amônio (NH 4 ), que é doador de H +, responsável pela acidez, na reação de nitritação. 2 NH 4+ + O 2 NO H + H 2 O Índice de acidez de um fertilizante quilogramas (kg) de carbonato de cálcio necessários para neutralizar a acidez originada pelo uso de 100 kg do fertilizante.

37 Índice de Acidez Fertilizante Índice Acidez Amônia anidra (83%N) 147 Sulfato de amônio (20%N) 110 Nitrato de amônio (34%N) 62 Uréia (45%N) 71 MAP (9%N) 58 DAP (16%N) 75

38 O CICLO DO N NA TERRA Fonte: Canfield et al. (2010)

39 FERTILIZANTES SINTÉTICOS A sustentabilidade a longo prazo requer uma diversificação na agricultura, envolvendo uma transição gradual do uso de fertilizantes sintéticos para rotações com leguminosas Mulvaney et al. (2009) A longo prazo somente a adubação orgânica ou o uso conjunto de fertilizantes orgânicos e sintéticos mostrouse sustentável para manutenção do estoque de C do solo Ladha et al. (2011)

40 POSSÍVEIS IMPACOS AMBIENTAIS RELACIONADOS AOS FERTILIZANTES FOSFATADOS

41 FERTILIZANTES FOSFATADOS E O AMBIENTE 1. EUTROFIZAÇÃO DE AMBIENTES AQUÁTICOS Causado por elevada concentração de P, N e C (P é o mais limitante) Eutrofização aumenta crescimento de algas, diminui O 2 e causa morte de peixes Causado principalmente por resíduos industriais, resíduos orgânicos e lodo de esgoto

42 2. POLUIÇÃO DO AR NA PRODUÇÃO DE FERTILIZANTES Emissão de fluor para a atmosfera Cd presente nos fertilizantes Fonte: Mezghani et al., 2005

43 COMO REDUZIR OS IMPACTOS AMBIENTAIS DO USO DE FERTILIZANTES?

44 AGRICULTURA SUSTENTÁVEL Desenvolver sistemas agrícolas que sejam produtivos e lucrativos, conservem a base de recursos naturais, protejam o ambiente e aumentem a saúde e a segurança a longo prazo R. N. PRASAD, 1997

45 PRINCÍPIOS BÁSICOS DO MANEJO DO SOLO EM SISTEMA AGRÍCOLA SUSTENTÁVEL - Repor os nutrientes removidos - Manter as condições físicas do solo - Evitar o aumento da incidência de plantas invasoras, pragas e doenças - Evitar o aumento da acidez do solo e da concentração de elementos tóxicos - Controlar a erosão de tal modo que essa seja igual ou menor que a taxa de pedogênese (formação do solo)

46 COMO RECUPERAR ÁREAS AFETADAS PELO USO EXCESSIVO DE FERTILIZANTES 1) A melhor opção seria plantar culturas que absorvam quantidades elevadas dos elementos presentes em grande quantidade no solo

47 COMO REDUZIR IMPACTOS AMBIENTAIS COM O USO DE FERTILIZANTES 1) Considerar o fornecimento de nutrientes pelo solo 2) Aplicar a dose adequada de nutriente 3) Fonte, modo e época de aplicação adequados são imprescindíveis

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49 4) Utilizar adequadamente resíduos orgânicos 5) Promover a rotação de culturas com leguminosas 6) A agricultura de precisão é uma alternativa interessante 7) Fertilizantes de liberação lenta tem se mostrado promissores

50 ROTAÇÃO DE CULTURA X NH O 2 NO 3 - Brachiolactona

51 ROTAÇÃO COM LEGUMINOSAS Crotalaria junceae Crotalaria spectabilis Soja Amendoim

52 VI Simpósio Tecnologia de Produção de Canade-Açúcar USO DE SUBPRODUTOS TORTA DE FILTRO VINHAÇA

53 Você nunca muda a realidade lutando contra ela. Para mudar algo, você cria um novo modelo que torna o modelo existente obsoleto. Buckminster Fuller Obrigado. rotto@usp.br