MATÉRIA ORGÂNICA DO SOLO (MOS) A MOS faz parte do ciclo do carbono Qualidade ambiental Embora em pequenas proporções nos solos minerais, a MOS é importante devido à sua alta reatividade e interação com os demais constituintes do solo. MOS é produzida pela fotossíntese através da conversão do CO2. Fase sólida do solo Componentes orgânico Componentes minerais Definições e caracterização da MOS MATERIAL ORGÂNICO: todo o tipo de material de origem orgânica, reconhecível ou não. MATÉRIA ORGÂNICA OU HÚMUS: substâncias de natureza orgânica já em estádio avançado de alteração, não sendo possível reconhecer sua origem. Adição de matéria orgânica ao solo Parte aérea Composição da MOS Resíduos orgânicos ou liteira Fração leve Biomassa microbiana Substâncias não húmicas ou biomoléculas Substâncias húmicas Adição de matéria orgânica Sistema radicular Natureza das Substâncias Orgânicas Substâncias não húmicas São grupos de moléculas orgânicas que ocorrem naturalmente na natureza, sendo primeiramente sintetizados pelas plantas via fotossíntese e de estrutura química conhecidas. Frações lábeis da MOS Constituem as unidades estruturais para: - Formação de tecidos (biossíntese); - Reservatório de nutrientes e energia dos organismos. Substâncias não húmicas Carboidratos: simples (glicose, galactose), polimerizados (lignina, celulose, hemicelulose) Aminoácidos: são constituintes das proteínas fonte de N no solo. ex.: glicina, alanina, ác. aspártico, ác. glutâmico, etc. Proteínas: são compostos nitrogenados formados por aminoácidos e ácidos argânicos. ex.: desidrogenase, oxidase, peptidase 1
Substâncias não húmicas Substâncias húmicas - Partículas coloidais de alta reatividade (< 2µm); - Coloração variando do amarelo ao marrom escuro; - Bastante estáveis e resistentes à ação microbiana; - Alta reatividade e interação com minerais do solo. Produtos permitem a síntese de compostos húmicos Substâncias húmicas Substâncias húmicas podem ser obtidas pelo fracionamento químico baseado na solubilidade da MOS em meio ácido e alcalino. O fracionamento químico permite a separação dos componentes orgânicos das partículas minerais do solo. Substâncias húmicas Ácido fúlvico: C 135 H 182 O 95 N 5 S Os grupos se dissociam, maior decomponibilidade, contribui imediatamente para a CTC do solo. Ácido fúlvico: solúvel em base e ácido. Ácido húmico: solúvel em base e insolúvel em ácido. Humina: insolúvel em base e ácido. Ácido húmico: C 187 H 186 O 89 N 9 S Possuem alto peso molecular, maior resistência da molécula à decomposição, funciona como reserva. A maioria dos atributos do solo têm estreita relação com a MO: FUNÇÕES DA MOS Químicas - Fonte de nutrientes (N, P, S) mineralização de resíduos. Estabilidade dos agregados CTC Resistência à erosão K+ Na+ Cl- K+ Cl- K+ Na+ Disponibilidade de nutrientes às plantas Infiltração e retenção de água Atividade biológica - CTC (troca de cátions) alta ASE (800-900m 2 g -1 ), cargas dependentes do ph, baixo PCZ, CTC em solos oxídicos - Poder tampão do solo dissocia H+ em ph acima de ±3,5, controla a atividade do Al 3+. - Reação com metais disponibilidade de micronutrientes e elementos tóxicos. 2
FUNÇÕES DA MOS Físicas - Estruturação do solo agente cimentante, afeta agregação, aeração, infiltração de água no solo. - Retenção de água capaz de reter até 5 vezes o seu peso. - Aquecimento do solo devido a coloração escura. - Proteção do solo resíduos orgânicos na superfície reduzem flutuações de temperatura e umidade e potencial de erosão. FUNÇÕES DA MOS Biológicas - Fonte de energia para microrganismos taxas de decomposição e mineralização. - Atividade enzimática estimula ou inibe enzimas extracelulares. - Desenvolvimento de plantas estimula ou inibe a produção de fitohormônios ou de compostos orgânicos tóxicos. A reatividade da MOS é devido as suas propriedades:» ASE = 800-900 m 2 g -1» CTC = 400-800 cmol c kg -1» PCZ ± 3,5» Diversidade de grupos funcionais - grupos COOH geram CTC em ph 3,0 - grupos OH fenólicos geram CTC em ph 9,0 Troca de cátions - As cargas negativas geradas são balanceadas com cátions Ca 2+, Mg 2+, K +, etc.; - Ligações eletrostáticas (fracas); - A soma dos cátions trocáveis sorvidos por unidade de massa da MOS caracteriza a CTC da MOS. Complexação de metais Complexação de metais -Alguns cátions (metálicos) apresentam ligação estável (caráter covalente) com a MOS; -Complexo metálico (quelato) ligação em 2 ou mais pontos da molécula orgânica; -Disponibilidade de micronutrientes (Zn 2+, Cu 2+, Mn 2+, etc.); - Redução da atividade de elementos tóxicos (Cd, Pb, Cr, Ni, etc.). 3
Poder de tamponamento da acidez do solo - A MOS é fonte de H + para a solução do solo (acidez potencial); - Teor de MOS x recomendação de corretivos de acidez do solo (calcário). Interação com argilominerais - Depende do tipo de material orgânico e das propriedades da superfície mineral; - Ligações através de troca de íons, ponte de H+ e cátions, troca de ligantes, forças de Van Der Waals, etc.; - Confere proteção física e química da MOS; - Afeta a pedogênese dos solos. Reações com outras moléculas orgânicas -Herbicidas, inseticidas, fungicidas, etc.; Dinâmica da MOS Adição de MO - Ocorre pela conversão de CO 2 em compostos orgânicos no processo de fotossíntese; - Decresce com a profundidade. - Os mecanismos dessas interações dependem de propriedades físicas e químicas das moléculas envolvidas, ph, temperatura, potencial redox, umidade, etc. (Brady & Weil, 1996) Dinâmica da MOS Perdas de MO Ocorrem principalmente pela: - Liberação de CO 2 na respiração; - Decomposição microbiana dos resíduos do solo; - Revolvimento do solo, aumento da oxidação de compostos orgânicos e perdas por lixiviação e erosão; - Desmatamento; - Queima de combustíveis fósseis. A magnitude desses processos em dadas condições pedoclimáticas depende das espécies e do sistema de manejo do solo utilizado. Dinâmica da MOS Decomposição de compostos orgânicos - microrganismos enzimas extracelulares quebrar os polímeros da estrutura orgânica de plantas e animais absorção dos monômeros liberados pela membrana celular e oxidação nas rotas metabólicas para geração de ATP e liberação de CO 2 eh 2 O. Velocidade de decomposição depende de: - estrutura bioquímica (recalcitrância da MOS) - condições do ambiente - produção de enzimas necessárias - interação com a fase mineral do solo (proteção) Açúcares, amidos e proteínas simples decomposição + rápida; Frações lábeis x fração húmica recalcitrância. 4
Tempo de decomposição das substâncias não humificadas no solo. Processo de decomposição da MOS (Brady & Weil, 1996) Processo oxidativo de decomposição da MOS R (C,4H)+2O 2 oxidação CO 2 +H 2 O + energia enzimática Aspectos ambientais da decomposição da MOS - Produção de CO 2 ; - Produção de CH 4 (gás metano); - Lixiviação de NO 3 - Processo anaeróbico de decomposição da MOS Imobilização e mineralização - Organismos podem imobilizar parte dos nutrientes encontrados nos resíduos para biossíntese; - Os nutrientes temporariamente imobilizados são mineralizados com a morte e decomposição dos organismos. A relação carbono/nitrogênio (C/N) - O equilíbrio entre as taxas de mineralização e imobilização depende da quantidade de C no resíduo e da relação entre carbono e nitrogênio (C/N); Clima x MOS Climosseqüência oeste leste do RS (Kampf & Schwertmann, 1983) Relação C/N nos resíduos do solo e as taxas de imobilização e mineralização. Relação C/N Imobiliz./Mineraliz. Disponibilidade N > 30 I > M reduzida 20 30 I = M não alterada < 20 I < M aumentada 5
- Teores de MOS (%C) decrescem com a elevação da temperatura e a diminuição da água excedente. Climosseqüência de solos na região do Planalto. Dados dos perfis da climosseqüência na região do Planalto. Solos Altitude C (%) Al 3+ (cmol c kg -1 ) CTC (cmol c kg -1 ) Cor do Hz A Santo Ângelo 300 1,75 1,5 11,73 2,5 YR Erechim 700 2,08 3,9 13,30 2,5 YR Vacaria 900 2,52 3,9 16,77 7,5 YR Bom Jesus 940 2,79 5,2 20,04 10 YR MOS e propriedades físicas Relação da temperatura e a capacidade de decomposição de organismos aeróbicos e anaeróbicos (Brady & Weil, 1996) - Os resíduos orgânicos diminuem a densidade do solo e criam poros de tamanho grande que favorecem a entrada de ar e a drenagem d água. - As raízes e os micélios de fungos criam uma rede que favorece a estabilidade dos agregados. MOS e propriedades químicas Relação entre o diâmetro médio geométrico dos agregados (DMG) e os teores de carbono orgânico em um Latossolo Vermelho. (Santos & Camargo, 1999) Influência do C org. no PCZ de um Latossolo (Meurer, 2000) 6
MOS e propriedades químicas Relação da CTC de um Argissolo Vermelho com o seu teor de C org. (Santos & Camargo, 1999) Decomposição do C do solo em ambientes temperados e tropicais (Camargo et al., 1999) Manejo agronômico x MOS - O cultivo do solo altera as taxas de adição e perda da MOS. Os teores de MOS em solos de ambientes temperados e tropicais são semelhantes? Em ambientes temperados ocorre mais acúmulo de MO devido à menor atividade microbiana; Em ambientes tropicais, com solos intemperizados, ocorre menor decomposição de MO devido à interação da MOS com minerais (óxidos e caulinita) - proteção química da MOS. O preparo do solo afeta as perdas devido: - mudança de temperatura; - umidade; - aeração; - ruptura de agregados; - fracionamento e incorporação de resíduos. As taxas de adição são influenciadas pelos sistemas de rotação de culturas (quantidade de resíduos que retornam ao solo). O efeito do manejo nas taxas de decomposição da MOS depende do tipo de solo: - textura e mineralogia estabilidade física da MOS. Manejo agronômico x MOS - Exemplo de manejo: Teores de CO e NT em Argissolo Vermelho submetido, durante 9 anos, a diferentes sistemas de manejo (Bayer, 1996). (Bayer & Mielniczuk, 1999) PC = preparo convencional; PD = plantio direto; A = aveia; V=ervilhaca; M = milho; C = caupi. 7
MOS e pedogênese - Exemplo de manejo: O PD acumulou 11 t ha -1 de C org. e 1 t ha -1 de NT a mais que o PC (9 anos); Taxa de acúmulo anual de ±1 t ha -1 de C org. e 100 kg ha -1 de NT a mais no PD; Taxa de decomposição anual da MOS de 2,9% no PD e 5,4% no PC redução de 85% das perdas devido ao não revolvimento do solo. -A pedogênese é resultado da ação de fatores de formação evolução até a maturidade do solo (equilíbrio com a paisagem); - A interação entre MOS e minerais, combinados com os fatores de formação, determinam os processos de formação do solo; Metabólitos reativos produzidos por microrganismos NH 3, HNO 3, H 2 SO 4, CO 2 (H 2 CO 3 ), ácidos orgânicos (acético, oxálico) dissolvem rochas solubilizando cátions da estrutura dos minerais silicatados. Produtos solúveis da reação de ácidos orgânicos e minerais podem ser removidos do sistema solos por lixiviação ou translocados para regiões inferiores no perfil de solo, onde se precipitam formando horizontes específicos duripan, B espódico, cimentação de sílica, etc. MOS e pedogênese Ácidos orgânicos como ácido cítrico e oxálico e substâncias húmicas reagem com minerais silicatados formando quelatos (reação de complexação), facilitando a quebra de ligações estruturais intemperismo do mineral. - Diferenciação de horizontes classificação dos solos. Seguem mais algumas informações Quantidade de carbono no solo A quantidade de carbono no solo depende da quantidade adicionada e das condições do ambiente. Quantidade de carbono no solo Valores estimados dos parâmetros relacionados ao carbono em equilíbrio em diversos ambientes. ECOSSISTEMA b t ha -1 m % a t ha -1 k C % ano -1 % C = a / k onde a = b x m Floresta tropical 5,0 50 2,5 2,7 4,2 Floresta temperada 2,2 40 0,8 0,7 2,0 Savana tropical 0,9 45 0,4 1,2 0,8 C = % de carbono k = taxa anual de decomposição do carbono orgânico do solo a = adição anual de carbono no solo (t ha -1 ) b = quantidade de material orgânico fresco depositado no solo anualmente m = taxa de conversão de b para carbono orgânico Pradaria 1,4 35 0,5 0,4 3,0 Solo cultivado 5,0 40 2,0 7,0 2,0 b = quantidade de material orgânico fresco depositado no solo anualmente m = taxa de conversão de b para carbono orgânico a = adição anual de carbono no solo k = taxa anual de decomposição do carbono orgânico do solo C = % de carbono 8
Método de determinação do carbono orgânico do solo - O processo de oxidação da MOS ocorre via úmida, efetuado por uma mistura sulfocrômica, a qual é posteriormente titulada com sulfato ferroso amoniacal. -Determina-se somente o C org. prontamente oxidável equivalente a 58% da MO. Método de determinação do carbono orgânico do solo - MO (%) = C org. (%) x 1,724 9