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
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
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)
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)
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
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
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
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%)
É essencial utilizar os fertilizantes adequadamente para evitar problemas ambientais
FERTILIZANTES NITROGENADOS
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
Fertilizantes Nitrogenados Atmosfera: Possui 78% de nitrogênio em volume na forma de gás inerte (N 2 ) 10 15 t de N Conclusão: Todo o N do solo vem da atmosfera
Obtenção do Nitrogênio reação de síntese 6 e - N 2 + 3 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
SÍNTESE DE NH 3 1909 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)
SÍNTESE DE NH 3 1909 * Museu de Berlim 1921 2000 * BASF *Planta industrial em Trinidad
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
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, 2005. Fosfatos de amônio (MAP e DAP) (NH 4 H 2 PO 4 ) e [(NH 4 ) 2 HPO 4 ]
POSSÍVEIS IMPACOS AMBIENTAIS RELACIONADOS AOS FERTILIZANTES NITROGENADOS
Fertilizer nutrient use on arable and permanent crop area by country N + P2O5 (Average 2002 2010) Fonte: FAOSTAT (2014)
CICLO DO NITROGÊNIO NO SOLO Fonte: www.physicalgeography.net/fundamentals/9s.html
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
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
Um processo oxidativo Etapa 1 Nitrificação 2NH 4+ + 3O 2 2NO 2- + 2H 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
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
NH 3 SOLO Até 60% CO(NH 2 ) 2 + H 2 O UREASE NH 3 + CO 2 Necessário incorporação dificultação pela palha Vieira, 2009
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! 320 300 280 N2O (ppb) 275 293 311 260 240 1900 1960 1996 Anos
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
Desnitrificação Nitrificação Desnitrificação Fonte: Bowman, 1998
Implicações ambientais da desnitrificação Efeitos adversos Emissão de N 2 O Problemas ambientais do N 2 O Um gás de efeito estufa - 300 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
Estratégias para controlar a desnitrificação Inibidores de nitrificação
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 4 + 6 H 2 O 3 CO 2 + 12 H 2 4 N 2 + 12 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)
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 2- + 4 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.
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
O CICLO DO N NA TERRA Fonte: Canfield et al. (2010)
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)
POSSÍVEIS IMPACOS AMBIENTAIS RELACIONADOS AOS FERTILIZANTES FOSFATADOS
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
2. POLUIÇÃO DO AR NA PRODUÇÃO DE FERTILIZANTES Emissão de fluor para a atmosfera Cd presente nos fertilizantes Fonte: Mezghani et al., 2005
COMO REDUZIR OS IMPACTOS AMBIENTAIS DO USO DE FERTILIZANTES?
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
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)
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
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
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
ROTAÇÃO DE CULTURA X NH 4 + + O 2 NO 3 - Brachiolactona
ROTAÇÃO COM LEGUMINOSAS Crotalaria junceae Crotalaria spectabilis Soja Amendoim
VI Simpósio Tecnologia de Produção de Canade-Açúcar USO DE SUBPRODUTOS TORTA DE FILTRO VINHAÇA
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