II SIMPÓSIO DE CIÊNCIA DO SOLO: interfaces, desafios e inovações 10/05/2017 18h30min Impacto das operações mecanizadas na compactação do solo: prevenção e recuperação Moacir de Souza Dias Junior, Ph.D Professor Titular Departamento de Ciência do Solo Universidade Federal de Lavras msouzadj@dcs.ufla.br
Introdução 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. (http:/www.agrisus.org.br/artigos.asp).
Introdução 33% dos solos do mundo estão degradados. Na América Latina 50% dos solos (FAO, 2015). Principais problemas: Erosão, salinização, compactação, acidificação, contaminação, poluição, perda de carbono orgânico e desequilíbrio de nutrientes (FAO, 2015). Compactação 80% devido ao manejo inadequado 16% pisoteio animal (Oldeman, 1992). Recuperação natural???? 10-20 anos compactação superficial (Dickerson, 1976; Jakolbsen, 1991). 50-100 anos compactação profunda (Greacen & Sands, 1991).
Área do Brasil = 8.515.767,049 km 2 (IBGE, 2015). 32,51% agricultável = 2.768.476 km 2 (www.deepask.com).
Introdução - Brasil Até a década de 60 o setor florestal era pouco expressivo na economia brasileira e caracterizava-se por ser uma exploração predatória dos recursos florestais (Valverde, 1995). A partir da década de 90, a colheita florestal passou a ser tecnologicamente avançada. Importação de maquinários da Europa e Estados Unidos. Feller Bunchers, os Harvesters, os Skidders e Forwarders (Malinovski et al., 2002; Fernandes & Souza, 2003; Altoé, 2008).
Introdução - Brasil Feller Büncher Harvester 27.180 kg 59 kpa 26.000 kg 47,7 kpa Skidder Forwarder 22.416 kg 61,86 kpa 37.100 kg 92 a 152 kpa O uso destes equipamentos podem promover degradação da estrutura do solo, devido ao aumento da frequencia do tráfego causando compactação do solo (Dias Junior et al., 2007).
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 poros do solo. Água Sólidos Manejo inadequado.
Pressões estáticas aplicadas na superfície do solo Trator de pneus: 64-380 kpa Trator de esteiras: 50-60 kpa Skidder de esteiras: 30-40 kpa Skidder de pneus: 55 85 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)
Pressões dinâmicas aplicadas na superfície do solo Clambunk Pressão estática = 60 kpa (manual do fabricante) Declive: 0-10 Carga: 30 árvores Eixo frontal s m = 275 kpa 5 vezes Eixo traseiro s m = 460 kpa 8 vezes Declive: 0-10 Carga: 95 árvores Eixo dianteiro s m = 399 kpa 7 vezes Eixo traseiro s m = 1.109 kpa 19 vezes (Araujo Junior& Dias Junior, 2010)
A compactação do solo pode ocorrer na área toda
Compactação em lugares específicos Foto: S.R. Silva
Compactação em lugares específicos Foto: S.R. Silva
A compactação do solo tem sido identificada como o principal processo causador da degradação física do solo (Canillas & Salokhe, 2002, Horn et al., 2003). Redução da produtividade Portanto, é importante destacar as propriedades físicas usadas para identificar a compactação dos solos
Propriedades físicas usadas para identificar a compactação do solo Densidade do solo e resistência mecânica (Glab & Kuling, 2008; Severiano et al., 2008). Porosidade total, tamanho e continuidade de poros (Servadio et al., 2001; Glab & Kuling, 2008). Infiltração e redistribuição de água (Ishaq et al., 2001). Condutividade hidráulica (Silva et al., 2006). Pressão de pré-consolidação (Silva et al., 2007; Dias Junior et al., 2007; Araujo Junior et al., 2008).
Aumenta a densidade do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al., 2001). Projeto Ds antes Fe+S Fe+S H+F M+F F+C M+M Área do tráfego 30 66 Proc. Mg m -3 Estação Seca (aumento %) Buriti 1,02 1 0 7 - - - - Dourado 0,92 5 5 8 - Média - 5% - - S. Leonardo 1,04 8 4 8 - - - - Estação Chuvosa (aumento %) Imbaúbas 1,01 22-21 11 - - 34 Água Suja 1,13 13 - - 21 6 1 26 Cajá Ba. 1,29 15 - - 22 18 7 26 Fe+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; Fe + S 66 = Feller Büncher e Skidder Média 18% 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.
Reduz a porosidade total (Servadio et al., 2001). Projeto PT antes Fe+S Fe+S H+F M+F F+C M+M Área tráfego 30 66 Proc. (%) Estação Seca (redução %) Buriti 61 0 0 3 - Média - 4% - - Dourado 64 3 3 5 - - - - S. Leonardo 58 7 3 7 - - - - Estação Chuvosa (redução %) Imbaúbas 58 16-16 9 - - 24 Água Suja 56 11 - - 18 5 0 20 Cajá 51 16 - - 28 18 8 25 Fe+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; Fe + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; Média M+F 16% = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.
V (m 3 m -3 ) Reduz a porosidade total e a macroporosidade 0,67 0,60 0,30 0,37 0,39 0,21 30% 5% 11 % Valmet 785 (Gontijo, 2007)
R P (MPa) Aumenta a resistência mecânica do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al.,2001). 12 10 2 MPa 8 6 4 2 0 Buriti S.Leonardo Grota Sem Tráfego Tráfego Limite para o desenvolvimento do sistema radicular
Reduz a aeração do solo (Gysi, 2001).
Aumenta a energia necessária para o preparo (Stone, 1987). Foto: S. Fonseca
Altera a estrutura do solo e o lugar onde as raízes desenvolvem Sem tráfego Tráfego Tráfego Foto: F.P. Leite
Reduz a infiltração de água (Defossez & Richard, 2002). Projeto TI antes F+S H+F M+F tráfego (mm/hr) % de redução Buriti 148 80 86 77 Dourado 105 86 84 - S. Leonardo 103 80 86 76 Imbaúbas 155 100 100 100 Aeroporto 180 90 91 90 F+S = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder. Fonte: F.P. Leite
Reduz a drenagem interna e a redistribuição da água (Hillel, 1982). Reduz a água disponível (Ishaq et al., 2001). Sucção, kpa 10000 1000 100 10 AD Latossolo Não compactado Compactado 1 24 28 32 36 40 44 48 Umidade, kg kg -1
Aumenta o escorrimento superficial (Defossez & Richard, 2002); e o risco de erosão (Dias Junior, 2000). Foto: F.P. Leite
Foto: J.M. Lima
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
O preparo de solos compactados resulta em aumento de energia e dos custos
PREVENIR a compactação do solo é importante
A prevenção da compactação do solo Modelagem da Capacidade de Suporte de Carga do Solo Ensaio de Compressão Uniaxial
Metodologia para obtenção dos Modelos de Capacidade de Suporte de Carga (pressão de pré-consolidação em função da umidade)
Ensaio de Compressão Uniaxial Amostras 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
Amostragem Ensaio de compressão uniaxial
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
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.
Ensaio de Compressão Uniaxial Consolidômetro (Boart Longyear) Amostras indeformadas Pressões aplicadas: 25, 50, 100, 200, 400, 800 e 1.600 kpa Amostras parcialmente saturadas Aplicação de cada pressão: até que 90% da deformação máxima seja alcançada (Taylor, 1948)
Curva de compressão do solo Densidade do Solo Curva de Compressão Secundária Deformações Elásticas s p Curva de Compressão Virgem Deformações Plásticas Log Pressão Aplicada
Curvas de compressão do solo para diferentes umidades Densidade do Solo, Mg m -3 1.0 1.2 1.4 Curva de compressão Secundária U, kg kg-1 0.34 0.27 0.18 0.05 s p 60 100 200 Curva de compressão virgem 500 100 1000 Pressão, kpa
Modelo de Capacidade de Suporte de Carga 800 600 s p = 10 (2,87-3,96 ) R 2 = 0.94** s p (kpa) 400 200 0 0,0 0,1 0,2 0,3 (m 3 m -3 )
Possibilidades de usos dos modelos capacidade de suporte de carga do solo
Determinar a pressão máxima a ser aplicada ao solo para evitar que a compactação ocorra 800 600 s p = 10 (2,87-3,96 ) R 2 = 0.94** Modelo de Capacidade de Suporte de Carga s p (kpa) 400 s p = 300 kpa 200 0 s p = 120 kpa ɵ = 0,14 m 3 m -3 0,0 0,1 0,2 0,3 (m 3 m -3 )
Identificar a classe de solo mais resistente ou mais suscetível à compactação (m 3 m -3 ) 600 500 400 LV: 10-12,5 cm - MG LVA: 10-12,5 cm: MG PA: 5-10,0 cm: BA Classe de solo mais suscetível à compactação: PA - BA s p (kpa) 300 200 290 230 130 Classe de solo mais resistente à compactação: LV MG 100 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Identificar o horizonte mais restritivo ao desenvolvimento do sistema radicular s p = 10 ( 3.04-5.54 ) R 2 = 0.91** 600 sp = 10 (2.99-3.44 ) R 2 = 0.80** s p (kpa) 400 200 420 300 200 40 PA Horiz. A Horiz. B Horizonte B Mais restritivo ao desenvolvimento do sistema radicular 0 0,0 0,1 0,2 0,3 U (m (kg 3 mkg -3 ) -1 )
Apesar do desenvolvimento desta teoria ainda existiam muitas perguntas sobre o processo de compactação do solo
Perguntas... 1) As operações mecanizadas causam ou não compactação do solo? 2) O número de passadas influencia na compactação do solo? 3) Como identificar o módulo de colheita florestal que causa maior compactação do solo? 4) O resíduo florestal influencia na compactação do solo? 5) Como identificar a classe de solo mais suscetível à compactação? 6) Qual operação da colheita florestal que causa maior compactação do solo? 7) Como saber se existe recuperação natural da estrutura do solo?
As operações mecanizadas causam ou não compactação? 600 500 Capacidade de Suporte de Carga Intervalo de Confiança 95% Critérios (Dias Junior et al., 2005) s p (kpa) 400 300 200 2) 1) 1) 2) Região onde já ocorreu a compactação do solo Região onde existe tendência em ocorrer a compactação do solo 100 3) 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 U (kg kg -1 ) (m 3 m -3 ) 3) Região onde não há compactação do solo
O número de passadas influencia na compactação do solo? Autocarregável Modelo de Capacidade de Suporte de Carga Intervalo de Confiança 95% Autocarregável 3 passadas (n = 5) Pressão de Preconsolidação (kpa) 700 600 500 400 300 200 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 )
O número de passadas influencia na compactação do solo? Autocarregável Modelo de Capacidade de Suporte de Carga Intervalo de Confiança 95% Autocarregável 7 passadas (n = 5) Pressão de Preconsolidação (kpa) 700 600 500 400 300 200 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 )
Como identificar o módulo de colheita florestal que causa maior compactação do solo? Feller Büncher Skidder Harvester Forwarder
Como identificar o módulo de colheita florestal que causa maior compactação do solo? LVA 10-12,5 cm Seca Estação Chuvosa ------------- (%) --------------- Feller e Skidder 1 2 9 Harvester e Forwarder 2 6 17 1 - Feller Büncher (modelo 2618 com esteira) e Skidder (modelo 460 com pneus 30.5L.32), 2 Harvester (modelo 1270 com pneus 700x26.5) e Forwarder (modelo 1710 com pneus (750x26.5).
O resíduo florestal influencia na compactação do solo? Sem resíduos 2 passadas Forwarder 8 passadas Forwarder Foto: A.R. Silva
O resíduo florestal influencia na compactação do solo? Galhada Galhada (G) Foto: A.R. Silva
O resíduo florestal influencia na compactação do solo? Galhada e Casca Foto: A.R. Silva
O resíduo florestal influencia na compactação do solo? Latossolo Vermelho Condições de disposição de resíduos Camada 10 13 cm Calhada e casca Galhada Solo sem resíduo % de amostras compactadas 2 passadas de um Forwarder de pneus 0 0 30 8 passadas de um Forwarder de pneus 0 10 50 (Silva, 2006)
Como identificar a classe de solo mais suscetível à compactação? Classe de solo Feller Buncher Skidder Garra Traçadora PVA LVA 90% 80% 80% 30% 50% 60% O PVA sofreu maior compactação do que o LVA PVA s p = e (5,42-2,59 ) R 2 = 0,93** n = 15 Dsi = 1,48 Mg m -3 LVA s p = e (6,66-8,01 ) R 2 = 0,94** (n = 15) Dsi = 1,52 Mg m -3 Feller Buncher Feller Buncher Pressão de Pré-consolidação (kpa) 600 500 400 300 200 100 0 0-3 cm 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Skidder Garra Traçadora Umidade Volumétrica (m 3 m -3 )
Qual operação da colheita florestal que causa maior compactação do solo? Feller Pressão de Preconsolidação (kpa) 600 400 200 0 smodelo 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 (m 3 (kg m -3 ) kg -1 ) Compactado: 11%
Qual operação da colheita florestal que causa maior compactação do solo? Feller Pressão de Preconsolidação (kpa) 800 600 400 200 0 s p = 10 ( 2,99-3,44 U ) R 2 = 0,80** Intervalo de confiança 95% Feller 1996 Argissolo Amarelo Horiz. B 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade (kg kg -1 ) Compactado: 0%
Qual operação da colheita florestal que causa maior compactação do solo? Pressão de Preconsolidação (kpa) 600 400 200 Modelo s 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 (m 3 m -3 ) Umidade (kg kg -1 )
Qual operação da colheita florestal que causa maior compactação do solo? Processador Pressão de Preconsolidação (kpa) 800 600 400 200 0 s p = 10 ( 2,99-3,44 U ) R 2 = 0,80** Intervalo de confiança 95% Processador 1996 Argissolo Amarelo Horiz. B 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade (kg kg -1 ) Compactado: 0%
Qual operação da colheita florestal que causa maior compactação do solo? Forwarder Pressão de Preconsolidação (kpa) 600 400 200 0 smodelo p = 10 ( Capacidade 3,04-5,54 U ) Suporte R 2 = 0,91** Carga Intervalo de confiança 95% Forwarder 1996 Argissolo Amarelo Horiz. A 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade (m 3 (kg m -3 kg ) -1 ) Compactado: 63%
Qual operação da colheita florestal que causa maior compactação do solo? Forwarder Pressão de Preconsolidação (kpa) 800 600 400 200 0 s p = 10 ( 2,99-3,44 U ) R 2 = 0,80** Intervalo de confiança 95% Forwarder 1996 Argissolo Amarelo Horiz. B 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade (kg kg -1 ) Compactado: 4%
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
Recuperação natural da estrutura do solo Ciclos de secagem e umedecimento Incorporação de matéria orgânica Atividades biológicas - Macrofauna: > 2 mm - Mesofauna: 0.2 2 mm - Microfauna: < 0.2 mm Recuperação natural???? 10-20 anos compactação superficial 50-100 anos compactação profunda F. Moreira, 2009
Como saber se existe recuperação natural da estrutura do solo? Forwarder Pressão de Preconsolidação (kpa) 600 400 200 0 smodelo 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 1996 1998 2000 2002 2004 63% 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 (m 3 (kg m -3 kg ) -1 )
Como saber se existe recuperação natural da estrutura do solo? Forwarder Pressão de Preconsolidação (kpa) 600 400 200 0 smodelo p = 10 (2,88 Capacidade - 3,95 U) Suporte R 2 = 0,86** Carga (n = 76) Intervalo de confiança 95% Forwarder 1996 - Após a colheita Forwarder 2004 - Antes da colheita Forwarder 2004 - Após a colheita b c a Argissolo Amarelo Horiz. A Após colheita Antes colheita Após colheita 1996 2004 2004 a b c 63% 37% 0% 0,0 0,1 0,2 0,3 Umidade (m 3 m(kg -3 ) kg -1 ) 7% 93% 0% 67% 33% 0% Compactado
Mapas de isolinhas Finalidade de estimar: A capacidade de suporte de carga (logística de operações) A suscetibilidade à compactação Resistência ao preparo (Gontijo, 2007)
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.
Muito obrigado!