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1 Curso de Especialização em Geoprocessamento, Levantamento e Interpretação de Solos APOSTILA Atributos do solo: morfológicos, físicos, químicos e mineralógicos @drisolo 2 Atributos do solo: morfológicos, físicos, químicos e mineralógicos José João Lelis Leal de Souza Norberto Cornejo Noronha Marcos Gervasio Pereira Adriana Monteiro da Costa Lúcia Helena Cunha dos Anjos iii Apresentação Prezado(a) estudante, Seja bem-vindo à disciplina Atributos Físicos, Químicos e Mineralógicos do Solo. Como visto nas disciplinas anteriores, os solos não são todos iguais. Eles fazem parte integrante da paisagem e podem apresentar atributos, que compreendem características e propriedades, e comportamentos distintos. As variações laterais e verticais da cobertura pedológica e, consequentemente, de suas feições morfológicas e de dos atributos morfológicos, físicos, químicos e mineralógicos respondem às interações estabelecidas entre os fatores de formação. Os fatores de formação (Material de Origem, Clima, Relevo, Organismos e Tempo) influenciam na ação dos processos pedogenéticos e, por consequência, são estabelecidas distintas vias na formação do solo. A organização morfológica, química e mineralógica dos solos apresenta estabilidade relativa, ou seja, caso ocorra alguma alteração em um ou mais fatores ambientais, o solo passa a um estado de desequilíbrio dinâmico e pode vir a ser modificado até que um novo equilíbrio seja alcançado. A partir da organização dos atributos do solo é então possível identificar os comportamentos usuais de cada classe de solo. Para o melhor aproveitamento dos estudos, esse material foi organizado em cinco unidades, que são: • Unidade 1: Introdução - atributos morfológicos do solo • Unidade 2: Atributos físicos do solo • Unidade 3: Atributos químicos do solo • Unidade 4: Mineralogia do solo • Unidade 5: Atributos físico-hídricos Os atributos do solo refletem a sua história de formação e se relacionam com outros elementos naturais, como relevo, clima e alguns destes atributos, refletem também o histórico de ações antrópicas sobre o solo. iv Assista ao vídeo de apresentação da disciplina “Atributos Físicos, Químicos e Mineralógicos do Solo”, disponível no Ambiente Virtual de Aprendizagem. Nele você conhecerá o(a)s docentes e encontrará as informações gerais sobre a disciplina. A leitura do material deve contemplar as informações que foram dispostas nos textos, nos quadros, gráficos e imagens. É muito importante que você observe todos os materiais, pois eles foram organizados para sintetizar e/ou ampliar os conteúdos aqui abordados. Além disso, foram indicados ao longo do material ícones que lhe ajudarão a ampliar seus conhecimentos sobre os temas discutidos. Eles incluem informações complementares, recomendações de leituras extras, sugestões de vídeos e materiais audiovisuais. O significado de cada link é apresentado a seguir. No mais, desejamos bons estudos a todos e todas!! v Sumário Unidade 1 .............................................................................................. 1 Introdução - atributos morfológicos do solo .... Erro! Indicador não definido. 1.1 Introdução ........................................................................Erro! Indicador não definido. 1.2 Atributos morfológicos e sua descrição ........................................................2 Unidade 2 .............................................................................................. 4 Atributos físicos do solo ......................................................................... 4 2.1 O solo como sistema trifásico ...............................................................................................6 2.2 Granulometria e argila dispersa em água .............................................................................9 2.3 Densidade do solo e de partículas ......................................................................................15 2.4 Resistência à penetração ....................................................................................................20 2.5 Aeração e temperatura do solo ..........................................................................................22 2.6 Influência dos atributos físicos do solo no comportamento hídrico ...................................28 Unidade 3 ............................................................................................... 33 Atributos químicos do solo ............................................................ 33 3.1 Composição química do solo ............................................................................35 3.2 Sistema coloidal do solo .................................................................. 36 3.3 Interações coloide/solução: fenômenos de adsorção e troca de ânions e cátions ...................................................................................... 39 3.4 Reações do solo, ácido – base e oxidação e redução .................... 42 3.5 Matéria orgânica do solo ................................................................ 44 Unidade 4 ............................................................................................ 48 Mineralogia do solo .......................................................................... 48 4.1 Minerais primários e secundários .................................................. 49 4.2 Argilas silicatadas ............................................................................ 52 4.3 Óxidos e hidróxidos ........................................................................ 56 vi 4.4 Carbonatos ....................................................................................... 57 4.5 Sulfetos e sulfatos ............................................................................ 58 4.6 Nitratos e halóides ........................................................................... 59 Unidade 5 ................................................................................... 62 Atributos físico-hídricos do solo ............................................ 62 5.1 Microporosidade, macroporosidade e porosidade total ............. 63 5.2 Condutividade hidráulica em meio saturado e seco ................... 65 5.3 Potencial da água no solo ............................................................... 66 5.4 Curva característica da água do solo ............................................. 69 5.5 Comportamento físico-hídrico do solo e sua aplicação na gestão de bacias hidrográficas ......................................................................... 71 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................... 76 SOBRE O(A)S AUTORE(A)S ................................................................ 78 1 Unidade 1 Introdução - atributos morfológicos do solo Caro(a) estudante, Nesta unidade apresentaremos, de uma forma geral, os atributos morfológicos do solo. Ela complementa a disciplina anterior, na qual são apresentados os fatores e processos de formação e quais os atributos que identificam esses processos. Conteúdo Programático • 1.1 Introdução • 1.2 Atributos morfológicos e sua descrição Objetivos Esperamos que você, ao final dessa unidade, seja capaz de: • Entender o que são atributos do solo e como eles se dividem; e • Se familiarizar com o Manual de Descrição e Coleta de Solo no Campo (Santos et al., 2015) e como utilizá-lo para descrever os atributos morfológicos do solo. 2 1.1 Introdução O conceito de atributos do solo compreende as características e propriedades que são utilizadas para descrever a forma e quantificar a composição, organização e, a partir destas interpretar o comportamento do solo. Através da identificação dos atributosdo solo temos informações sobre as suas condições físicas, químicas e biológicas, o que permite entender melhor suas potencialidades e limitações, seja para sustentar o crescimento de plantas e outros organismos ou para outros fins. Os atributos morfológicos foram apresentados na disciplina anterior, Pedogênese: fatores e processos de formação do solo. Portanto, nesta unidade faremos apenas uma breve menção a eles, com indicação de material didático a ser consultado para maior detalhamento e aplicação. 1.2 Atributos morfológicos e sua descrição A morfologia do solo é conceituada como o estudo da aparência do solo no seu ambiente natural. Esta descrição é feita segundo as características visíveis a olho nu, ou prontamente perceptíveis no perfil de solo, no campo. Em seu conjunto, as características morfológicas são a base inicial para definir o corpo natural edáfico e para entender seu comportamento na paisagem natural. Além de sua importância na descrição do perfil, ela é utilizada para inferir sobre outras propriedades importantes no manejo do solo, tais como: drenagem, retenção de umidade, permeabilidade, compactação, susceptibilidade à erosão, resistência a mecanização agrícola etc. As características morfológicas auxiliam a separação, no campo, de possíveis classes de solo, em nível hierárquico mais elevado (ordem e, em algumas classes, subordem), que poderão constituir uma área homogênea, a ser representada como uma unidade de mapeamento. Portanto, são a primeira ferramenta utilizada pelo pedólogo, ainda no campo, para estabelecer uma legenda preliminar do mapa de solo. 3 Dentre as principais características morfológicas, utilizadas na descrição do perfil de solo, destacam-se: espessura, arranjamento e número de horizontes; cor; textura; estrutura; cerosidade (quando presente); consistência e transição entre horizontes. Além das propriedades referentes aos horizontes, descrevem- se ainda a localização do perfil e características referentes à paisagem em que se situa, tais como: elevação (altitude), declividade, relevo, grau de erosão, classe de drenagem, uso atual, entre outras. Na descrição morfológica adota-se terminologia própria a qual é convencionada pelo Manual de Descrição e Coleta de Solo no Campo (Santos et al., 2015), publicado pela Sociedade Brasileira de Ciência do Solo. Esse conteúdo será explorado em aulas assíncronas e com o apoio de tutores em atividades presenciais O livro "Práticas de Morfologia e Física do Solo" foi desenvolvido por professores do Departamento de Solos da UFRRJ, como forma de disponibilizar material didático de qualidade e baseado em conhecimento científico e vivências acadêmicas e práticas. [Fim de “Saiba mais”] Para maiores informações, acesse o link onde o livro é disponibilizado de forma gratuita: https://acervo.uniarp.edu.br/wp- content/uploads/livros/Praticas-de- Morfologia-e-Fisica-do-Solo.pdf 4 Unidade 2 Introdução - atributos físicos do solo Caro(a) estudante, Nesta unidade apresentaremos os atributos físicos do solo. Eles se referem ao conjunto de características como textura (que diz respeito à proporção das frações areia, silte e argila), à estrutura (como as partículas se organizam) e à porosidade (quantidade de espaços vazios). As quais afetam propriedades do solo tais como: capacidade de reter água, circulação de ar e suporte para desenvolvimento das raízes das plantas e dos organismos do solo. As propriedades físicas do solo influenciam nas decisões de práticas de manejo e conservação do solo nas áreas agrícolas, para uma produção economicamente viável e sustentável. Como exemplos, é necessário conhecer as condições físicas do solo para determinar o período ideal para preparo do solo, semeadura ou plantio, na escolha da forma de cultivo e os implementos a serem utilizados, a escolha de práticas conservacionistas (curvas de nível, construção de terraços, subsolagem etc.) e mesmo em decisões sobre a correção e fertilização do solo. Veremos nos itens seguintes os principais atributos físicos que influenciam a produtividade agrícola e o comportamento hídrico e ambiental do solo. 5 Conteúdo Programático • 2.1 O solo como sistema trifásico • 2.2 Granulometria e argila dispersa em água • 2.3 Densidade do solo e de partículas • 2.4 Resistência à penetração • 2.5 Aeração e temperatura do solo • 2.6 Influência dos atributos físicos do solo no comportamento hídrico Objetivos Esperamos que você, ao final dessa unidade, seja capaz de: • Compreender o solo como um sistema trifásico e como os diferentes componentes desse sistema se relacionam de forma dinâmica; • Explorar os tópicos granulometria e dispersão de argila em água, densidade do solo e das partículas, resistência à penetração, aeração e temperatura do solo; e • Entender como os atributos físicos influenciam o comportamento hídrico do solo, ou seja, como eles afetam a retenção e a movimentação da água. 6 2.1 O solo como um sistema trifásico O solo é um sistema aberto e dinâmico, constituído por três fases: uma fase sólida, uma líquida e uma gasosa. Em um modelo teórico (Figura 1), para fins didáticos, é representado de forma que a fase sólida ocupa 50 % do volume do solo, sendo que este volume é composto por cerca de 45% de constituintes minerais e 5% materiais orgânicos. As fases líquida e gasosa neste modelo ocupam os outros 50% do volume total do solo, sendo 25% do espaço ocupado por gases e 25% por líquidos. Figura 1 - Arranjo organizacional das partículas primárias sólidas (minerais e orgânicas) e espaços preenchidos por água e ar. Fonte: Elaborado por Lúcia Anjos Nos solos, as porcentagens de volumes de sólidos, gases e líquidos variam de classe para classe, ou mesmo entre os horizontes e camadas ao longo do perfil. Ainda, os volumes de gases e líquidos, são interdependentes, podendo variar em função do estado de umidade do solo. As partículas sólidas do solo também possuem tamanho distintos (maiores ou menores) e assumem diversos arranjos organizacionais, que irão definir os agregados e espaços porosos. Estes poros possuem formas e tamanhos variáveis e são ocupados pelas fases líquida 25% 25% 45% 5% Água Ar Minerais Matéria orgânica 7 e gasosa do solo. Embora os espaços porosos, preenchidos com ar e água sejam representados na Figura 1 em seções separadas, no solo estão localizados entre e dentro dos agregados e entre as partículas do solo (minerais e orgânicas) ou mesmo dentro da estrutura de alguns minerais, estes em escala microscópica. As relações entre as fases líquida e gasosa são dinâmicas e variam rapidamente em função da umidade do solo. À medida que a água é drenada do solo, ou removida por absorção, por evaporação superficial ou por evapotranspiração, o ar retorna aos espaços que antes eram ocupados pela água do solo. Os principais gases que compõem a fase gasosa ou o ar do solo são: O2, CO2, CH4, NH3, NO, NO2, HNO3. No interior do solo o ar é bastante afetado pela respiração das raízes e dos organismos que o habitam. O consumo de O2 e a liberação de CO2, devido à respiração dos seres vivos e oxidação da matéria orgânica, deixam o ar do solo mais saturado com CO2 que o ar atmosférico. O que cria um gradiente de concentração desses dois gases entre esses ambientes promovendo o fluxo do solo para a atmosfera e vice-versa. [Início de “Você sabia?”] O solo é a principal reserva de água e de ar para as plantas, sendo que o ar é principalmente armazenado nos poros maiores ou macroporos, onde também se desenvolvem as raízes. Quando o volume de poros que podem armazenar ar e água é reduzido, pela compactação, por exemplo, as raízes não podem mais se desenvolver nesse espaço ou absorver água ou ainda respirar, reduzindo assim a sua capacidade de produção.[Fim de “Você sabia?”] A relação líquido-gás no solo é a mais dinâmica, no entanto, as relações entre as três fases, ou seja, incluindo a fase sólida, também variam. Embora a fase sólida seja relativamente estável, como o solo é um sistema aberto, ele pode 8 perder a estabilidade relativa e se alterar ao longo do tempo se as condições do meio se alterarem e o sistema (solo ou atributo) se encontrar em desequilíbrio físico ou químico. Neste caso o solo pode ser submetido à novas adições, remoção, transporte, ou transformações de constituintes, inclusive os minerais e a matéria orgânica, com mudanças na sua proporção volumétrica. Em ambientes naturais essas mudanças ocorrem de forma mais lenta. Mas, em áreas agrícolas ou urbanas, ou em que ocorre ação antrópica intensa como nas áreas de mineração, elas podem ser muito rápidas. Nas áreas agrícolas, as mudanças no tipo de cobertura ou uso das terras, queimadas, práticas agrícolas inadequadas, tráfego intenso de máquinas, pisoteio excessivo do gado, entre outras atividades, podem acelerar a mineralização da matéria orgânica, alterar a estrutura e compactar o solo, diminuindo os espaços porosos e alterando a proporção entre frações minerais e orgânicas. A estabilidade do solo pode variar de acordo com diferentes fatores e condições. Ela é um aspecto importante em diversas situações, como na construção de edifícios, malha viária, na agropecuária e no planejamento do território para gestão ambiental. O solo como sistema trifásico ideal deve apresentar condições físicas favoráveis ao crescimento radicular das lavouras, sejam estas destinadas à alimentação humana ou animal, energéticas, fibras ou florestais, e possibilitar a obtenção de água e ar e a absorção dos nutrientes necessários ao crescimento e desenvolvimento das plantas. Ainda, nos ambientes naturais, garantir a preservação dos ecossistemas e da biodiversidade do solo. [Fim de “Para refletir”] 9 2.2 Granulometria e argila dispersa em água A granulometria do solo se refere a proporção quantitativa das partículas de areia, silte e argila, expressas em g kg-1 ou percentagem de cada fração em relação à fração total de terra fina secada em estufa (TFSE). Ela é quantificada em laboratório pelo método de análise granulométrica (TEIXEIRA et al., 2017), também conhecido como análise mecânica ou fracionamento granulométrico. Difere conceitualmente da classe de textura, que é uma propriedade morfológica determinada no campo, através de sensações registradas pelo tato e outras inferências sobre o tamanho relativo das frações minerais. As dimensões (tamanho) das frações granulométricas do solo utilizadas no SiBCS (SANTOS et al., 2018) e adotadas pela Sociedade Brasileira de Ciência do Solo (SBCS) são apresentadas no Quadro 1. Para ilustrar, no mesmo quadro é mostrado o comparativo, segundo Kiehl (1979), entre as dimensões das frações granulométricas e as de objetos relativamente conhecidos, desde a fração argila (tamanho < 0,002 mm) até a areia muito grossa. Quadro 1 - Frações granulométricas da terra fina e comparação da proporção de tamanho (Kiehl, 1979). Fração da terra fina Escala / Tamanho (mm) Comparação da proporção de tamanho (Kiehl, 1979) Simplificada1 Detalhada Areia muito grossa <2,0 – 1,0 Esfera de um metro de diâmetro (1000 mm) Areia grossa <2,0 – 0,2 <1,0 – 0,5 Esfera de meio metro de diâmetro (500 mm) Areia média <0,5 – 0,25 Bola de futebol (250 mm) Areia fina <0,2 – 0,05 <0,25 – 0,1 Bola de bocha (125 mm) Areia muito fina <0,1 – 0,05 Bola de bilhar (50mm) Silte <0,05 – 0,002 <0,05 – 0,002 Bola de gude (25 mm) Argila <0,0002 <0,0002 Cabeça de alfinete. 1 Santos et al. (2015); 10 Além destas frações granulométricas da terra fina, também são determinadas as frações grossas, a saber: matacões, que apresentam diâmetro maior que 200 mm; calhaus, com diâmetro entre 20 mm a < 200 mm; e cascalhos, com diâmetro entre 2mm a < 20mm (TEIXEIRA et al., 2017). Na Figura 2 são apresentados 3 perfis de solo onde podem ser observados horizontes com predomínio da fração grossa. Figura 2 - Perfis de solos com material grosso. a) Plintossolo Pétrico Litoplíntico com matacões (UFRA, campus Belém); b) - Plintossolo Pétrico Concrecionário (UFRA campus Belém); c) - Latossolo Amarelo Distrófico petroplíntico com cascalho e calhaus em profundidade (Santo Antônio do Para - PA). Fotos: Norberto Noronha (Acervo Pessoal). Os métodos de determinação da granulometria da terra fina são apresentados em Teixeira et al. (2017) e não serão objeto deste documento. Uma vez quantificadas as frações granulométricas, elas são usadas para a aferição da classe textural, utilizando o triângulo textural (Figura 3). Os triângulos texturais são utilizados para representar graficamente a proporção das diferentes frações granulométricas, em que cada vértice do triângulo representa uma fração (areia, silte e argila). No diagrama adotado pela 11 SBCS (SANTOS et al., 2015) são diferenciadas trezes classes texturais. Outra forma de representar é através do chamado triângulo generalizado de textura, em que as 13 classes da Figura 3 são agrupadas em apenas cinco (SANTOS et al., 2018), que são usadas, principalmente, na identificação de classes de solo. Figura 3 - Classes texturais do solo e valores dos limites entre as frações granulométricas (SANTOS et al., 2015). A argila pode se encontrar dispersa no solo e não como parte de agregados, devido à limitada ação de agentes floculantes, como os cátions Ca Ca2+, Mg2+ e Al3+, ou cimentantes, como os óxidos de ferro e a matéria orgânica. A dispersão das argilas é intensificada se íons dispersantes como o Na+ estiverem presentes na solução. Esse atributo é relevante na caracterização e nos processos pedogenéticos de várias classes de solos, como nos Planossolos Nátricos, nos solos com B textural e, nos Latossolos, neste último os teores em 12 geral são baixos. Por essa razão, além da quantificação do teor de argila total também é determinado o teor de argila dispersa em água. Ambos os métodos são descritos em Teixeira et al. (2017). As proporções relativas das partículas minerais do solo são definidas pelos fatores e processos pedogenéticos. Por isso, ela é geralmente utilizada como atributo diferencial ou acessório na caracterização e classificação de solos. Como exemplos os Latossolos e os Neossolos Quartzarênicos, ambos são definidos com base em sua granulometria, além de outros atributos. A composição granulométrica do solo é considerada uma característica relativamente estável, que afeta direta ou indiretamente todos os outros atributos do solo e, desta forma, o comportamento do solo e os serviços ecossistêmicos relacionados a estes atributos. Podem ser citadas como propriedades dependentes da composição granulométrica do solo a condutividade hidráulica, a infiltração e retenção de água no solo, a densidade e a porosidade do solo, a formação e estabilidade de agregados, a resistência do solo à penetração, a resistência do solo aos processos erosivos, a estabilidade da matéria orgânica, o estoque de carbono do solo, a capacidade de troca iônica e o potencial de lixiviação de soluções. A granulometria do solo deve ser considerada na determinação da frequência e forma de aplicação de fertilizantes. Por exemplo, solos com maiores teores de areia apresentam altas taxas de lixiviação, sendo necessário aplicar fertilizantes em doses parceladas para o melhor aproveitamento pela planta, evitando perdas de nutrientes e suas consequências econômicas e ambientais. A granulometria do solo interfere de forma ampla no comportamento do solo e é muito pouco alterada por ações antrópicas e pelo manejo das terras. Com base em seus conhecimentos adquiridos até aqui, discorra sobre a seguinte afirmação: Em quecondições a granulometria do solo pode ser alterada e deixar de ser considerada uma característica considerada estável. [Fim de “Para refletir”] 13 Para saber mais sobre o método de análise granulométrica, consultar os seguintes links: https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1085209/manual-de- metodos-de-analise-de-solo https://acervo.uniarp.edu.br/wp-content/uploads/livros/Praticas-de-Morfologia-e-Fisica- do-Solo.pdf https://biblioteca.ibge.gov.br/visualizacao/livros/liv37318.pdf [Fim de “Saiba mais”] Existem vários canais nas redes de multimídia que se destinam a propagação de conhecimentos técnicos e científicos, dentre eles, o canal do Youtube denominado Solos UFRRJ, fruto de parceria de diversos professores do Departamento de Solos da UFRRJ. No canal Solos UFRRJ dois vídeos se destinam a explicar metodologias de análises de solos, em campo e laboratório. Acesse os links: Análise granulométrica - IA302 Física do Solo - DS/IA/UFRRJ https://www.youtube.com/watch?v=Oq4S8CxdL1I Textura do Solo - Método Expedito - IA302 - Física do Solo DS/IA/UFRRJ https://www.youtube.com/watch?v=f8GhekLgyew [Fim de “Multimídia”] https://biblioteca.ibge.gov.br/visualizacao/livros/liv37318.pdf https://www.youtube.com/watch?v=Oq4S8CxdL1I https://www.youtube.com/watch?v=f8GhekLgyew 14 A argila tem tamanho muito pequeno, porém uma área de superfície grande em relação ao seu volume. Isso significa que materiais com argilas possuem muitas partículas em uma área pequena, o que a torna a fração mineral mais importante do solo. A presença da argila em quantidades significativas (classes texturais argila e muito argilosa) implica em maior capacidade do solo de reter água e íons, bem como características importantes para o crescimento de plantas e outros usos do solo. [Fim de “Você sabia?”] O termo "solos concrecionários" é utilizado de forma genérica para descrever solos que possuem nódulos ou concreções de petroplintita em um ou mais horizontes específicos dentro da camada que define a classe do solo. O processo de formação desses solos foi apresentado na disciplina anterior. Você pode conhecer mais sobre o potencial produtivo de solos concrecionários acessando os seguintes materiais: https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/doc/1144362/1/Boletim-28- Leonardo.pdf https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1144362/produtividade-de- cultivares-de-soja-em-plintossolos-e-latossolos-do-tocantins https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1143331/desempenho-de- cultivares-de-milho-em-latossolo-e-plintossolo-petrico-em-tocantins-safrinha-2021 [Fim de “Saiba mais”] https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/doc/1144362/1/Boletim-28-Leonardo.pdf https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/doc/1144362/1/Boletim-28-Leonardo.pdf https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1144362/produtividade-de-cultivares-de-soja-em-plintossolos-e-latossolos-do-tocantins https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1144362/produtividade-de-cultivares-de-soja-em-plintossolos-e-latossolos-do-tocantins https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1143331/desempenho-de-cultivares-de-milho-em-latossolo-e-plintossolo-petrico-em-tocantins-safrinha-2021 https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1143331/desempenho-de-cultivares-de-milho-em-latossolo-e-plintossolo-petrico-em-tocantins-safrinha-2021 15 2.3 Densidade do solo e de partículas Como visto no item 2.1, o solo é um meio poroso, então várias relações massa-volume podem ser estabelecidas. A densidade de um corpo ou substância é uma relação entre sua massa e seu volume. Duas formas de avaliação da densidade são consideradas no solo. Na primeira delas é considerado o volume total de poros do solo, sendo então determinada a densidade do solo (Ds). Para tal, deve ser utilizada uma amostra indeformada. Os valores de densidade do solo são calculados por meio da seguinte equação: Ds = Ms / Vs Em que Ds = densidade do solo; Ms = massa de solo seco; Vt = volume total do solo (volume de sólidos + volume dos espaços porosos) Através da avaliação da Ds é possível reconhecer o estado estrutural de um determinado horizonte, se está adensado ou compactado, se oferece resistência à infiltração da água, se limita a condutividade hidráulica insaturada, a condução térmica, avaliar a resistência do solo à penetração, se é dificultada a emergência das plântulas, aeração, erosão etc. Estas informações auxiliam o agricultor na tomada de decisões para o melhor manejo e conservação do solo, como a escolha do maquinário, dos implementos para tração, se há necessidade de subsolagem ou escarificação, ou a forma de preparo do solo mais indicada. A densidade do solo é influenciada pela composição mineralógica e pelo teor de matéria orgânica, mas ela é depende principalmente do arranjo estrutural do solo que, por sua vez, é afetado pelas condições de manejo do solo e pela textura e grau e tipo de agregação do solo. Solos argilosos e franco-argilosos bem estruturados, por apresentarem maior porosidade entre e dentro dos agregados, em geral, são menos densos que solos arenosos. 16 Para se quantificar a densidade do solo é necessário considerar o volume total do solo, ou seja, o volume de sólidos e o de poros, portanto é imprescindível que a amostra conserve sua estrutura de campo (indeformada). Portanto, devem ser usados procedimentos adequados para conservar a estrutura natural, procurando-se manter a distribuição natural de poros na massa do solo. O arranjo estrutural de uma amostra do horizonte AB de um Latossolo Amarelo de textura muito argilosa, da região de Paragominas – PA, com estrutura em blocos e granular e a porosidade (macroporos) associada, é apresentado na Figura 4 (corte superior). Figura 4 - Arranjo estrutural de amostra do horizonte AB de Latossolo Amarelo de textura muito argilosa da região de Paragominas – PA. Fonte: Norberto Noronha (Acervo Pessoal). Na segunda forma de avaliação considera-se apenas a massa das partículas sólidas e o volume ocupado por elas, desprezando-se o volume de vazios. Obtêm-se assim a densidade das partículas, que é dada pela relação: Dp = Mp / Vp Em que Dp = densidade das partículas; Ms = massa das partículas; Vp = volume das partículas. Como não se consideram os espaços vazios para o cálculo da densidade das partículas, o valor da Dp depende apenas da natureza e da contribuição dos 17 componentes sólidos no solo, sendo diretamente proporcional à quantidade e ao tipo de óxidos de ferro no solo e inversamente proporcional ao teor de matéria orgânica. No Quadro 2 pode-se observar a variação dos valores de Dp de minerais ou de compartimentos do solo. Quadro 2 – Densidade de partículas de alguns materiais do solo, com o valor médio de densidade de partículas estimado expresso em Mg m-3. Minerais primários das frações silte e areia Quartzo 2,5 – 2,801 Ortoclásio 2,50 – 2,601,2 Muscovita 2,70 – 3,002 Minerais secundários da fração argila Caulinita 2,60 – 2,682 Montmorilonita 2,20 – 2,702 Gibbsita 2,40 – 2,402 Goethita 4,372 Hematita 4,90 – 5,302 Orgânico Matéria orgânica do solo 1,30 – 1,501 Horizontes minerais 2,60 – 2,70 Horizontes orgânicos 1,10 – 1,40 Valor médio para solos minerais 2,651,2 Fonte: 1Pereira et al. (2020); 2Kiehl (1979) A densidade das partículas afeta o valor da densidade do solo, pois está relacionada à massa de sólidos que compõe o volume do solo considerado. Seu conhecimento é importante para o cálculo da porosidade total do solo e da velocidade de sedimentação das partículas num meio líquido (sendo empregado na análise granulométrica pelo método da pipeta). Existem diversos métodos de determinação da densidade do solo (Ds), o do torrão impermeabilizado, o do torrão mergulhadona areia e o do anel volumétrico, sendo este último o mais utilizado, pela praticidade e padronização do volume total. Para a densidade das partículas (Dp) os métodos mais conhecidos são o do picnômetro com água e o do balão volumétrico. Os métodos mais utilizados são descritos em Teixeira et al. (2017). 18 Embora o método do anel volumétrico seja amplamente utilizado para analisar a densidade do solo, ele não é tão eficaz em solos com grande quantidade de material grosso, como fragmentos de rocha, cascalho ou pedras. Nessas situações, o método proposto por Viana (2008) pode ser mais adequado. Para saber mais sobre esse método, leia o seguinte artigo: VIANA, J. H. M. Determinação da densidade de solos e de horizontes cascalhentos. Sete Lagoas: Embrapa Milho e Sorgo, 2008. 11 p. (Embrapa Milho e Sorgo. Comunicado Técnico, 154). Disponível em: https://www.embrapa.br/en/busca-de-publicacoes/- /publicacao/491716/determinacao-da-densidade-de-solos-e-de-horizontes- cascalhentos [Fim de “Saiba mais”] Como foi visto, a partir dos valores de densidade do solo, juntamente com outras informações, pode-se ter uma ideia sobre as condições de drenagem, condutividade hidráulica, compactação ou adensamento e a consequente limitação que o solo pode oferecer ao desenvolvimento radicular. Diante disso, Reichert et al. (2003) estabeleceram limites críticos de Ds em função de algumas classes texturais do solo, ou seja, valores de Ds que não prejudiquem o desenvolvimento das lavouras. Os valores propostos por esses autores foram: • de 1,26 a 1,30 Mg m-3, para solos muito argilosos (mais de 60% de argila); • 1,45 Mg m-3, para solos com textura argilosa (35 a 60% de argila); • 1,55 Mg m-3, para textura média (menor de 35% de argila e mais de 15% de areia); e • 1,65 Mg m-3, para textura arenosa (< 20% de argila). Esses valores devem ser tomados como base apenas quando não houver quantificação da Ds por métodos de laboratório. Uma vez os limites críticos podem variar com os atributos do solo e a própria lavoura implantada. As alterações da Ds ocorrem quando há mudanças na relação massa- volume, com diminuição do espaço poroso, que podem ocorrer por várias https://www.embrapa.br/en/busca-de-publicacoes/-/publicacao/491716/determinacao-da-densidade-de-solos-e-de-horizontes-cascalhentos https://www.embrapa.br/en/busca-de-publicacoes/-/publicacao/491716/determinacao-da-densidade-de-solos-e-de-horizontes-cascalhentos https://www.embrapa.br/en/busca-de-publicacoes/-/publicacao/491716/determinacao-da-densidade-de-solos-e-de-horizontes-cascalhentos 19 causas. Uma delas é o processo natural de translocação de argila na formação no horizonte B textural, como já visto em texto anterior. Outro processo é a acomodação de partículas finas como silte e areia fina entre os grãos de areia grossa ou no espaço entre agregados, também de forma natural, aumentando a densidade do solo. O mesmo ocorre com partículas de argila, sobretudo caulinita, que se orientam de forma planar assim reduzindo o espaço de poros em uma escala microscópica, resultando no adensamento que identifica o caráter coeso. A biopedoturbação também pode alterar a relação massa-volume, levando a redução ou aumento da densidade do solo. Em áreas agrícolas, a densidade do solo pode ser rapidamente alterada em decorrência da mudança de uso da terra e do cultivo. Práticas inadequadas de uso do solo podem causar deformações estruturais e compactação, sendo esta que esta última acontece devido ao exercício de forças em determinada área do solo. A pressão resultante causa deformidades e leva à diminuição da porosidade do solo, sobretudo os macroporos, e alterações na estrutura do solo. Alterações estruturais em horizonte superficial de solo de pastagem reformada com aração e gradagem são ilustradas na Figura 5, em imagens obtidas no microscópio, em três distintos momentos. Em (a) estrutura original antes da gradagem; em (b) a pulverização da estrutura pelo revolvimento seguido de gradagens cruzadas; e em (c), após um ano, uma nova organização do material de solo e o desenvolvimento de estrutura com tendência laminar. Figura 5 – Alterações estruturais no horizonte superficial de solo sob pastagem em três momentos: (a) antes da reforma da pastagem (estrutura original), (b) logo após (pulverização dos agregados após aração com arado de disco e gradagens cruzadas) e (c) um ano pós do revolvimento. Fonte: Norberto Cornejo Noronha (Acervo Pessoal). 20 O nível de compactação depende da intensidade e frequência da força exercida. A textura do solo influencia na suscetibilidade do solo à compactação, em que os solos argilosos e mais porosos são mais suscetíveis que os solos de textura média e arenosos. A umidade do solo é outro fator na deformação da estrutura do solo, pois com o seu aumento diminuem as forças de coesão e aumenta da adesão, com a manifestação da plasticidade e pegajosidade. Assim, quando o solo úmido é submetido a pressões ele se deforma facilmente, sendo mais intenso em solos mais argilosos. O tráfego intenso de veículos e maquinário agrícola, arraste de implementos agrícolas em condições inadequadas de umidade, operações como a colheita de grãos ou de madeira em plantios florestais, o uso de maquinário pesado e arraste de toras em áreas de reflorestamento ou na exploração de madeira nativa, e o superpastejo animal são as causas mais comuns para a compactação do solo. Como consequências da compactação pode-se ter: diminuição da porosidade e do diâmetro dos poros e alteração do arranjo poroso; aumento da densidade do solo; diminuição da infiltração de água no solo e das trocas gasosas; restrições ao crescimento radicular da cultura e à absorção de água e nutrientes pelas plantas; aumento dos contrastes de temperatura na superfície do solo, retenção de água, da susceptibilidade do solo à erosão e da incidência de doenças radiculares e de colo da planta. 2.4 Resistência à penetração A resistência do solo à penetração refere-se à capacidade que o solo apresenta em suportar uma força exercida através dele sem apresentar falhas por ruptura, fragmentação ou fluxo. Há várias maneiras de se verificar a resistência do solo à penetração, tanto em campo, como em laboratório. Quando se busca informação mais precisas sobre a resistência do solo à penetração, podem ser usados equipamentos específicos como os penetrógrafos e penetrômetros. O princípio básico do funcionamento de ambos os equipamentos consiste na introdução de uma haste, geralmente com uma 21 ponta cônica para verificação da resistência do solo mediante a aplicação de uma força. As informações obtidas nas medições com os penetrômetros e penetrógrafos são denominadas genericamente como índice de cone, que é definido como a força aplicada por unidade de área a uma determinada profundidade e condição física e mecânica do solo e indica a resistência do solo expressa em MPa, kPa, kgf.cm-2 ou psi. Os penetrômetros podem ser divididos em dois tipos: os dinâmicos ou de impacto e os estáticos. Nos dinâmicos a penetração do cone se dá devido ao exercício de uma força constante pela queda de um martelo que desliza na haste até um batente. Nos penetrômetros estáticos a penetração do cone no solo ocorre em velocidade constante. Os modelos mais simples de penetrômetros estáticos possuem um registrador que indica a carga aplicada (manômetro), sem que seja possível gravar tal informação. Quando os equipamentos estáticos possuem dispositivo que registra (em papel ou de forma digital) as informações de profundidade de penetração e a respectiva carga associada, são chamados de penetrógrafos (MOLINA JÚNIOR, 2017). Os penetrômetros de impacto requerem um esforço grande do operador, para erguer a haste de 4kg a 40 cm da base do batente (Figura 6a). O mesmo para a obtenção de dados de resistênciaa penetração com os penetrômetros estáticos manuais (Figura 6b). A dificuldade em se registrar todas as leituras no manômetro e de se obter uma constância padrão na velocidade de penetração do cone dificulta muito a aquisição de dados (MOLINA JÚNIOR, 2017). A resistência do solo à penetração é um indicador indireto de compactação do solo, sendo influenciada por vários fatores como umidade, textura, natureza dos constituintes da fração argila, arranjo organizacional das partículas do solo, entre outros. Entre os fatores relacionados ao aparelho que afetam a expressão dos valores de resistência à penetração, o ângulo do cone, o diâmetro e rugosidade do cone e a taxa de penetração do penetrômetro são os mais expressivos. 22 Figura 6 - Esboço de um penetrômetro de impacto (a), com martelo antes do impacto (b), depois do impacto com deslocamento vertical do cone (c), fonte: Stolf et al. (1998) e do penetrômetro estático manual (d).]. Fonte: Molina Júnior (2017) A medição da resistência do solo à penetração é considerada um método prático e rápido de se obter informações sobre as condições físicas do terreno. Porém, como se trata de um indicador indireto, recomenda-se que a interpretação dos dados seja complementada com a análise de outras variáveis, tais como a densidade do solo, a distribuição do sistema radicular e a avaliação da morfologia do solo para o diagnóstico mais seguro a respeito da área. [Fim de “Fique Atento”] 2.5 Aeração e temperatura do solo A aeração e a temperatura do solo afetam a dinâmica de vários processos no solo, com destaque aos químicos e biológicos. Como exemplo, pode-se citar a absorção de água e nutrientes pelas plantas, a germinação de sementes, a decomposição da matéria orgânica e ciclagem de nutrientes, a incorporação da matéria orgânica ao solo pela macrofauna de invertebrados edáficos, a formação de agregados biogênicos e manutenção da estrutura em superfície, o estoque 23 de carbono do solo, a emissão de gases do efeito estufa. Também afetam os fluxos internos de água, por exemplo, a ascensão capilar da água devido ao estabelecimento de diferença do potencial matricial entre horizontes superficiais e subsuperficiais, quando a maior temperatura da superfície favorece a maior taxa de evaporação da água. Nesse texto serão abordadas, de forma resumida, as relações entre a aeração e temperatura do solo nos sistemas agrícolas. 2.5.1 Aeração A aeração do solo pode ser entendida como a dinâmica das trocas gasosas que acontecem dentro do solo e entre este e a atmosfera. Ela é um fator condicionante para a produtividade das culturas e saúde do ambiente. As plantas necessitam de condições adequadas de aeração para que as raízes possam absorver água e nutrientes para o seu crescimento e desenvolvimento. O mesmo para os organismos do solo, que têm papel importante na ciclagem de nutrientes e em vários processos simbióticos com o sistema radicular das lavouras, a exemplo da fixação biológica de nitrogênio e as micorrizas na disponibilização de fósforo para as plantas. Os principais gases que compõem a fase gasosa ou a atmosfera do solo são o O2, CO2, CH4, NH3, NO, NO2 e HNO3, além de vapor d´água. O ar do solo é influenciado pela respiração das raízes e dos organismos que o habitam, bem como pelas condições de drenagem. O consumo de O2 e a liberação de CO2 devido à respiração dos seres vivos e oxidação da matéria orgânica deixam o ar do solo mais saturado com CO2 que o ar atmosférico. Em condições anaeróbias o CH4 e o C2H5 também são formados. As renovações do ar se dão devido às trocas gasosas que são favorecidas principalmente pela difusão dos gases e saturação dos poros com água e posterior dessaturação, nos ciclos de umedecimento e secagem sazonais e diários. As partículas sólidas do solo podem assumir vários arranjos organizacionais (estrutura do solo) e destes arranjos formam-se também espaços. A Figura 7 ilustra o arranjo estrutural de horizonte superficial de um 24 Latossolo sob cobertura florestal. Pode-se notar que os espaços porosos dividem a massa sólida em fragmentos ou agregados. Figura 7 – Micrografia com arranjo estrutural do horizonte superficial de um Latossolo sob cobertura florestal. Fonte: Norberto Noronha (Acervo Pessoal) [Início de “Para refletir”] A aeração do solo é um fator importante para a saúde das plantas e a qualidade do solo referindo-se à presença e circulação de ar nos espaços porosos do solo. Aqui estão algumas curiosidades sobre a aeração do solo: 1. A aeração do solo é essencial para o crescimento saudável das raízes das plantas pois, o oxigênio presente no ar do solo é necessário para a respiração das raízes, permitindo que elas obtenham energia para o crescimento e absorção de nutrientes. 2. A aeração está intimamente relacionada à estrutura do solo, solos com boa agregação possuem proporção equilibrada entre partículas minerais e matéria orgânica e espaços porosos. 3. A compactação do solo prejudica a aeração, ao reduzir a quantidade de espaços porosos e restringir a circulação do ar, o que dificulta o desenvolvimento das raízes. 25 4. A aeração é importante para a drenagem e solos bem aerados têm maior taxa de infiltração de água. Com isso, reduz-se o acúmulo de água nos espaços dos macroporos, prevenindo o encharcamento e melhorando o desenvolvimento das raízes. Com base nestas quatro afirmações, discorra sobre a importância da aeração para a saúde das plantas e dos organismos do solo. [Fim de “Para refletir”] Fatores ambientais como o clima - estações do ano e fatores relacionados como temperatura e umidade -, a profundidade do solo abaixo da superfície, a atividade biológica do solo e sobretudo, as diferenças na composição do ar no solo e na atmosfera influenciam na dinâmica da aeração do solo. Do ponto de vista biológico, as trocas gasosas no solo são afetadas pela respiração das raízes e dos organismos viventes, pois estes concorrem pelo O2 e produzem CO2 pela respiração e também a oxidação da matéria orgânica. O relevo é outro fator que deve ser mencionado, uma vez que condiciona os fluxos de soluções no solo, por exemplo, nos platôs a água que incide na superfície infiltra facilmente, dando condições para a formação de solos profundos e bem drenados garantindo a constância das trocas gasosas no interior do solo. Por outro lado, nas planícies aluviais e nas várzeas a água estagnada satura o solo por longos períodos, restringindo a aeração. Os processos pedogenéticos de gleização, sulfidização / sulfurização e paludização, já vistos em textos anteriores, ocorrem nessas condições de aeração reduzida. Entre os atributos intrínsecos ao solo que influenciam na dinâmica dos gases no seu interior podem ser citados: a textura, a estrutura, a quantidade e o tamanho de poros, a forma e o arranjo dos poros e a distribuição do sistema radicular e os poros formados pela fauna edáfica. A compactação do solo, por diminuir o espaço poroso, sobretudo dos macroporos, afeta negativamente as trocas gasosas. Nesse caso, podem se estabelecer sítios de estagnação de água nas camadas compactadas com empoçamentos na superfície do solo, favorecendo o aumento da emissão de CH4 e outros gases. 26 [Início de “Você sabia?”] As trocas gasosas no solo ocorrem por dois mecanismos principais: difusão de gases e fluxo de massa. Apesar de lenta, a difusão de gases é o mecanismo mais importante. Ele decorre de diferenças no gradiente de pressão parcial ou de concentração das moléculas dos gases no interior do solo ou entre o solo e a atmosfera. Na superfície do solo a pressão parcial e a concentração dos gases na atmosfera e nos poros do solo é praticamente a mesma. O ar atmosférico é mais concentrado em O2 que nos espaços porosos do solo, assim, o O2 se movimenta por difusão para o interior dos porosdo solo. O CO2 segue fluxo contrário, se movimentando do solo para a atmosfera, onde está em menor concentração. O mesmo ocorre junto a rizosfera, onde há consumo de O2 e a concentração de CO2 é maior que no ar em zonas de menor atividade biológica. O fluxo de massa deve-se a variações na relação água e ar no interior dos poros do solo. Após uma chuva torrencial, por exemplo, parte da água infiltra rapidamente pelos poros maiores e, posteriormente, nos poros menores, que podem então se saturar e o fluxo da água diminui, podendo até cessar temporariamente. O ar que ocupava estes espaços, mais rico em CO2 em relação ao ar atmosférico, é expulso para a atmosfera. Quando a água infiltra para camadas mais profundas, ou é absorvida pelas raízes das plantas, ou evapora na superfície, os poros antes preenchidos pela fase líquida são novamente ocupados pelo ar atmosférico, desta vez mais rico em O2, e assim acontecem as trocas gasosas. [Fim de “Você sabia?”] 2.5.2 Temperatura do solo A temperatura do solo varia temporal e espacialmente. Ela é bastante dependente das condições da superfície, principalmente das reações e processos que se estabelecem no contato solo-meio externo, e vários fatores podem influenciar às transferências de energia entre os dois meios. A geração de calor do solo pode ocorrer de maneira discreta, lenta e constante como a decorrente dos processos de decomposição de matéria orgânica. O aquecimento do solo pode também ocorrer de forma intensa e efêmera devido à combustão da matéria orgânica na superfície pelo fogo ou incêndios, atingindo a subsuperfície com a queima de raízes em profundidade. Também o ar acima do solo transmite energia térmica para o solo por difusão. 27 No entanto, a principal fonte de calor no solo é o sol e a intensidade da energia solar que atinge o solo depende de fatores como a localização do solo na superfície terrestre, principalmente com relação à longitude, o que está relacionado ao estabelecimento de estações no ano, comprimento do dia e ao clima. Além destes, fatores como a posição em que o solo se encontra no relevo, a inclinação da vertente e face de exposição da vertente em relação aos raios solares e o tipo e cobertura viva ou morta também afetam a temperatura do solo. A energia provinda do sol e que atinge a superfície solo é propagada por condução térmica para as camadas ou horizontes situados abaixo na superfície. A transmissão da energia térmica no interior do solo será condicionada principalmente pela textura, estrutura, umidade e teor de matéria orgânica. Solos com partículas mais finas como os argilosos, por apresentarem maior superfície de contato entre partículas, apresentam maior condução térmica. Solos com maior porosidade e melhor agregação têm menor condutividade térmica que solos compactados ou adensados. A ocorrência de um filme de água entre as partículas aumenta a condutividade térmica pois os meniscos aumentam a superfície de contato entre elas, mas em casos de solos com maior umidade, a condução térmica diminui, em relação ao calor específico e esse solo armazena mais calor. A umidade ótima para a transmissão de calor é em torno de 20% para solos arenosos e 15% para argilosos (CHAMAYOU e LEGROS, 1989). As condições de cobertura do solo também afetam a variação da temperatura do solo. Os solos que apresentam a superfície exposta ou sem cobertura vegetal se aquecem mais rapidamente durante o dia e esfriam muito mais durante a noite. O tipo de cobertura vegetal também afeta a temperatura do solo e a maior variação ocorre nos horizontes superficiais. A taxa de oxidação da matéria orgânica é diretamente proporcional a variação de temperatura. Em condições de temperatura mais baixas, é favorecida a formação de horizontes orgânicos pelo acúmulo de matéria orgânica, nos solos turfosos. 28 A temperatura do solo, por afetar as taxas de evaporação e evapotranspiração, também favorece a precipitação de sais na superfície do solo. Solos em ambientes semiáridos ou áridos podem apresentar elevada diferença de temperatura entre os horizontes subsuperficiais e os superficiais. Essa diferença de potencial entre os horizontes leva a movimentação de soluções salinas entre eles. Com isso ocorre ascensão capilar de sais que se cristalizam na superfície, ou próximo a superfície com a evaporação da água. [Fim de “Você sabia?”] 2.6 Influência dos atributos físicos do solo no comportamento hídrico A água retida no solo pode ser disponibilizada para plantas, o que é especialmente importante em regiões com clima de estação seca definida e prolongada, ou ainda onde ocorre um período de veranico na estação chuvosa. Nessas condições, a profundidade na qual se encontra a maior disponibilidade de água é um fator importante, principalmente para lavouras anuais de sistema radicular mais superficial. Se a maior disponibilidade de água ocorre próxima à superfície, as raízes podem extrair a água necessária para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Se a maior disponibilidade está em horizontes ou camadas mais profundas, as raízes superficiais podem não ter acesso a água armazenada e ocorrerá estresse hídrico para as plantas. Em solos com textura e estrutura que possibilitem o estabelecimento de poros capilares contínuos, a água pode ascender por capilaridade até a superfície e ser absorvida pela cultura. A capacidade de retenção de água do solo é influenciada por fatores como a granulometria, a estrutura, o tamanho e conectividade dos poros, a atividade da argila, e o teor e natureza da matéria orgânica. Alguns atributos físicos serão abaixo relacionados através de exemplos e descrição de como o comportamento hídrico do solo é influenciado por eles. Quanto à granulometria, em geral, solos argilosos têm maior capacidade de retenção da água pela maior porosidade capilar e, quando possuem boa agregação, boa proporção entre a micro e macroporosidade. Já os solos de textura arenosa têm alta permeabilidade interna e baixa retenção de água, uma 29 vez que a fração areia apresenta pequena superfície específica, o que colabora para sua baixa ou quase nula reatividade no solo. O comportamento da água em solos arenosos depende da composição granulométrica das frações nesse tamanho de partículas. Quando mais heterogêneas, as partículas maiores se encaixam, deixando espaços vazios entre elas, que são preenchidos por partículas menores. O que aumenta a capacidade do solo de reter água em diferentes tamanhos de porosidade. Outro fator importante é a organização das partículas de areia. Quando os grãos de areia são de tamanho maior e têm um arranjo mais aberto, o fluxo de água é mais rápido quando o solo está saturado e há menor retenção de água. Em solos com grãos de areia de tamanhos bem distribuídos e com arranjo mais fechado, a retenção de água é maior porque há mais pontos de contato entre as partículas, o que leva à formação de poros capilares. A baixa retenção de água destes solos inspira cuidados na sua utilização para fins agrícolas, pois as lavouras são mais suscetíveis ao estresse hídrico, sendo necessária irrigação para viabilizar a produção nesses solos. A escolha do método de irrigação deve ser cuidadosa, pelo consumo maior de água nesses solos, e os impactos ambientais em termos de segurança hídrica e potencial de poluição de aquíferos. Outros solos apresentam grande quantidade de frações grossas, calhaus e matacões, de tamanhos entre 2 e 20 cm e maior que 20 cm, respectivamente. A fração maior é geralmente constituída por fragmentos de rocha e material petroplíntico, enquanto os calhaus por nódulos, concreções e seixos quartzosos. A ocorrência de calhaus e matacões no solo pode ser limitante ao uso agrícola das terras, o que se acentua com o aumento da quantidade e do tamanho dessas frações grossas. Quando presentes no interior do soloé importante identificar a que profundidade, pois estando próximo a superfície podem causar a quebra de implementos. Embora alguns fragmentos de rocha possam ser porosos e reter água, a maioria tem comportamento inerte. Assim, a presença dessas frações diminui a capacidade de retenção de água e causa limitações físicas ao 30 desenvolvimento radicular, o que acentua o déficit hídrico para as lavouras em regiões sujeitas a estações secas prolongadas ou veranicos. Em estudo comparando o cultivo de soja em Plintossolos Pétricos Concrecionários e Latossolos não concrecionários, em um ano com menor precipitação, Campos et al. (2022) observaram que nos Plintossolos as plantas apresentaram restrições hídricas, diminuindo a produtividade em comparação aos solos não concrecionários. Por outro lado, os fragmentos grossos na superfície do solo também podem desempenhar papel similar ao da cobertura morta, protegendo o solo do impacto direto das gotas de chuva, interceptando a radiação solar e, desta forma, influenciando o balanço hídrico e o regime de temperatura do solo (Figura 8). Figura 8 - Plantio de soja em Latossolo Vermelho-Amarelo Distrófico petroplíntico, em Redenção - Pará. Os fragmentos grossos de petroplintita funcionam como mulching. Foto: Matheus Cunha Borges (Acervo Pessoal). Quando os fragmentos grossos ocorrem em grande quantidade e na superfície do solo, a baixa condutividade hidráulica insaturada a baixas tensões reduz a ascensão capilar da água à superfície, o que pode diminuir as perdas por evaporação. Quando no interior do solo, em horizontes ou camadas subsuperficiais, os fragmentos grossos afetam a taxa de percolação e, portanto, a taxa de infiltração, o que pode inclusive aumentar o escoamento superficial da 31 água das chuvas, favorecendo os processos erosivos e diminuindo o fornecimento de água para os aquíferos. Os fragmentos de rocha têm papel importante e podem afetar significativamente várias propriedades e processos que ocorrem no solo. Quantificar as frações grossas é essencial para entender o comportamento hídrico do solo e outras propriedades físicas. Você pode conhecer mais sobre o comportamento de solos que apresentam fragmentos grossos em sua constituição acessando os dois artigos seguintes: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0341816294900507 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816214002033 [Fim de “Saiba mais”] Observa-se hoje no Brasil o avanço da agricultura em terras outrora consideradas sem aptidão agrícola para lavouras, como as de solos Plintossolos Pétricos Concrecionários. Segundo Almeida et al. (2020), estes solos apresentam acúmulo de água em superfície, o que leva agricultores a construírem canais de drenagem para esgotar a água que se acumula nos períodos de chuva mais intensa. O que para os autores parece contrassenso, já que a petroplintita deveria favorecer a permeabilidade à água. Esse material grosso também dificulta as práticas de cultivo agrícola e de preparo do solo. Muito embora, segundo os autores há falta de conhecimento sobre o potencial produtivo desses solos e desenvolvimento de práticas de manejo adequadas a estas condições. Como visto, a granulometria é um dos fatores que mais influenciam no movimento da água no solo. A sua variação em profundidade também influencia na suscetibilidade do solo à erosão hídrica, portanto, no comportamento hídrico do solo. Solos que apresentam gradiente textural entre o horizonte A ou E e o Bt, ou ainda mudança textural abrupta, são mais suscetíveis à erosão. Nestes casos, o aumento do teor de argila em subsuperfície induz o decréscimo da macroporosidade e da condutividade hidráulica. Durante eventos chuvosos, a água que infiltra mais rapidamente nos horizontes superficiais, menos argilosos, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0341816294900507 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816214002033 32 tem decréscimo acentuado de velocidade no horizonte subsequente, mais argiloso. O que aumenta o escoamento superficial e/ou erosão subsuperficial, deslocamento de massa e ainda o efeito de piping. O processo é intensificado em relevos de maior declividade ou em encostas de longas vertentes. Com relação a mineralogia, solos com elevada contribuição de esmectita, mineral de argila expansível, apresentam condutividade hidráulica variável conforme as estações do ano. Ela é alta durante o período seco e no início do período chuvoso, quando a infiltração de água ocorre através de fendas formadas devido à contração da massa de solo. Durante o período chuvoso, com a expansão do solo e fechamento das fendas, a condutividade hidráulica diminui. Por outro lado, solos argilosos que possuem predomínio de caulinita e óxidos de ferro e alumínio, podem apresentar ótima condutividade hidráulica saturada, independente do regime de chuvas. Em alguns Latossolos mais oxídicos (maiores teores de óxidos), a formação de agregados micro granulares, muito estáveis, favorece a continuidade dos poros e aumenta a infiltração de água até taxas comparáveis as observadas em solos de textura arenosa. Quanto a matéria orgânica, ela favorece a agregação do solo, principalmente nos horizontes superficiais, e promove a atividade biológica, o que influencia na quantidade e forma dos agregados e na porosidade resultante. Portanto, influencia no armazenamento da água em camadas superficiais, bem como a sua disponibilidade para as plantas. Em solos orgânicos a elevada capacidade de retenção de água da matéria orgânica é um fator primordial para a preservação de nascentes, razão pela qual esses solos são considerados hotspots e devem ser protegidos em áreas de preservação permanente (APPs). 33 Unidade 3 Atributos Químicos do Solo Caro(a) estudante, Nesta unidade apresentaremos, de uma forma geral, os atributos químicos do solo. Eles se referem a presença e disponibilidade de nutrientes essenciais para o crescimento das plantas, como nitrogênio, fósforo e potássio, cálcio e magnésio, ou de elementos tóxicos, como o alumínio e o sódio. A capacidade do solo de trocar cátion e ânions com a solução do solo. Ainda, a reação do solo, através de variáveis como o pH (que indica a acidez ou alcalinidade) e o potencial de oxirredução (Eh). Por fim, a matéria orgânica do solo e suas frações, e como ela influencia outros atributos do solo. De uma forma geral, os atributos químicos do solo, se relacionam com importantes aspectos do potencial ambiental e produtivo das terras. Conteúdo Programático • 3.1 Composição química do solo. • 3.2 Sistema coloidal do solo. • 3.3 Interações coloide/solução: fenômenos de adsorção e troca de ânions e cátions • 3.4 Reações do solo, ácido – base e oxidação e redução • 3.5 Matéria orgânica do solo 34 Objetivos Esperamos que você, ao final dessa unidade, seja capaz de: • Entender os conceitos de carga superficial de coloides, destacando a adsorção e troca de cátions e ânions; • Compreender as reações ácido-base e oxirredução; • Conhecer as frações da matéria orgânica e seu papel nas funções do solo; e • Interpretar os atributos químicos para o manejo sustentável do solo. [Fim de “Fique Atento”] 35 3.1 Composição química do solo A composição química da fase sólida do solo é principalmente determinada pelos seus materiais de origem, derivados das rochas e /ou sedimentos, associados aos compostos de origem orgânica. A constituição química do material de origem varia em função de sua natureza, afetando as características do solo formado. Esta influência tende a se reduzir à medida em que o intemperismo atua, podendo levar solos formados de materiais de origem diferentes a apresentarem feições e composição química similares. O intemperismo provoca a desagregação física das rochas e alteração dos mineraisprimários e sua transformação em minerais secundários. Nos solos tropicais, em geral, há uma predominância dos elementos Si e Al nos minerais secundários ou minerais de argila, devido a abundância destes elementos nas rochas da superfície terrestre. No Quadro 3 são apresentados os principais elementos químicos encontrados no solo e seus teores. Os elementos C, H, O e N não são apresentados, uma vez que são muito dinâmicos no solo. Quadro 3 - Composição dos principais elementos químicos nas rochas e nos solos. Adaptado de LINDSAY (1979). Elemento Químico Concentração nas rochas g kg-1 Faixa de concentração nos solos, g kg-1 Alumínio 81,0 10– 300 Cálcio 36,0 7 – 500 Ferro 51,0 7 – 550 Potássio 26,0 0,40 – 30 Magnésio 21,0 0,60 – 6 Manganês 0,90 0,02 – 3 Fósforo 1,20 0,20 – 5 Enxofre 0,60 0,03 – 10 Silício 276,0 230 – 350 Titânio 6,0 1– 10 Os teores dos macronutrientes essenciais (N, P, K, Ca, Mg, S) são geralmente baixos nos solos de regiões tropicais, seja pelos menores teores no 36 material de origem ou pela progressiva ação do intemperismo e consequente lixiviação desses elementos. A maior fertilidade química está associada a materiais de origem mais ricos em bases, solos pouco intemperizados ou condições locais de clima e / ou relevo que favoreçam a acumulação de cátions. Para o cálcio e magnésio, os teores são maiores em solos originados de rochas carbonáticas (calcário). Os solos tropicais muito intemperizados, como os Latossolos, praticamente não contêm minerais primários facilmente intemperizáveis (MPFI), sendo constituídos por minerais secundários (argilas silicatadas, óxidos de Fe e Al) e quartzo. Em alguns solos, derivados de rochas ricas em minerais ferro- magnesianos, os teores de ferro podem ser mais altos. 3.2 Sistema coloidal do solo O solo pode ser considerado um sistema disperso, pois é constituído de mais de uma fase, sendo que a fase sólida possui subdivisões em função de seu tamanho, como visto na unidade anterior, que são as frações granulométricas, areia, silte e argila, para a componente mineral. A fração do solo de tamanho inferior a 2 µm forma um sistema coloidal, constituído de partículas diminutas, minerais ou orgânicas, ou organo-minerais, que estão como fase dispersa na solução (ou no ar) do solo como meio de dispersão. Em função do pequeno tamanho das partículas, os materiais adquirem propriedades particulares, relacionadas ao aumento da superfície específica e, nesse sistema coloidal, ocorrem reações químicas, físico-químicas e microbiológicas de grande importância. Duas dessas propriedades serão apresentadas a seguir: 3.2.1 Superfície específica O termo superfície específica ou ainda Área Superficial Específica (ASE) refere-se à área por unidade de massa do material considerado (solo como um todo, fração argila apenas, matéria orgânica etc.) e é, usualmente, expressa em metros quadrados por grama (m2 g-1). A partir da ASE se pode inferir sobre o grau de reatividade do solo, com grandes variações nesta propriedade entre os 37 solos. Entre os fatores responsáveis por essas variações, encontram-se: a) granulometria; b) tipos de minerais de argila; e c) teor de matéria orgânica. Em virtude do menor tamanho da fração argila do solo, em relação às outras frações, pode-se deduzir que parte desta fração, de natureza coloidal, contribui em maior proporção com o valor da ASE do solo. Quanto ao tipo de mineral de argila, é de se esperar que solos tropicais, em que a caulinita e os óxidos são os principais constituintes da fração argila, tenham menor ASE, que solos de regiões temperadas com predominância de montmorilonita e outras argilas silicatadas mais reativas. No Quadro 4 é apresentada faixa de valores de ASE e de Capacidade de Troca Catiônica (CTC) de constituintes da fração argila e da matéria orgânica do solo. Quadro 4 - Área Superficial Específica (ASE)1 e Capacidade de Troca Catiônica (CTC) de constituintes da fração argila e da matéria orgânica do solo. Partícula ASE m2g-1 CTC cmolc kg-1 Caulinita 10 – 30 0 – 1 Óxidos de Fe 100 a 400 2 – 4 Micas 40 – 150 10 – 40 Vermiculita 500 – 800 100 – 150 Montmorilonita 700 – 800 80 – 150 Matéria orgânica coloidal 800 – 900+ 200 – 300 1 Fonte: Grohmann (1975). Quanto à matéria orgânica, embora ocorra na maioria dos solos, a exceção dos solos orgânicos, em proporções relativamente pequenas, ela contribui, significativamente, para o valor da ASE. Em especial em solos intemperizados e cauliníticos ou oxídicos como os Latossolos e Argissolos. 3.2.2 Cargas elétricas Uma propriedade muito importante do sistema coloidal é a presença de cargas elétricas. No solo, os argilominerais, de modo geral, são eletronegativos, com poucas cargas positivas que são variáveis com o pH do solo. Em alguns solos, com grau de intemperismo avançado e predomínio de óxidos de Fe e Al, 38 pode-se encontrar maior quantidade de cargas positivas do que negativas, em horizontes subsuperficiais, com menor teor de matéria orgânica. A presença de cargas na superfície dos coloides do solo é responsável por sua capacidade de retenção de íons (capacidade de troca catiônica e aniônica). As cargas são também responsáveis pelas ligações entre os constituintes do solo, dadas pela ação de agentes cimentantes (que estabelecem ligações químicas que estabilizam os agregados) e pela interação das partículas com a água e compostos químicos adicionados ao solo. As cargas também estão associadas a várias propriedades do solo, como coesão, plasticidade e a dinâmica floculação/dispersão. As cargas negativas podem ser subdividas em permanentes ou dependentes de pH. As permanentes são geradas por substituição de um íon por outro na estrutura cristalinas dos minerais. Essas substituições ocorrem, durante o momento da formação do mineral, entre íons de tamanhos semelhantes e com valência +ou- 1 do íon original. Por exemplo: o Si4+ ser substituído pelo por Al3+ na lâmina tetraedral (gerando uma carga negativa = -1) ou o Al3+ ser substituído por Mg2+ na lâmina octaedral. Essas cargas não são afetadas por mudanças no pH do solo. As cargas dependentes de pH são originárias da protonação ou desprotonação de grupamentos OH- em função do pH do meio e ocorrem principalmente nos óxidos e na caulinita. As cargas eletropositivas do solo têm origem nos óxidos e hidróxidos de Fe e de Al, principalmente. Ocorrem também na matéria orgânica do solo, que possui tanto cargas negativas, em maior quantidade, quanto positivas, o que lhe permite a propriedade de reter tanto cátions quanto aníons. Para complementar as informações neste item assista o vídeo Solo: um sistema coloidal https://www.youtube.com/watch?v=-01Glp1QSXU [Fim de “Multimídia”] https://www.youtube.com/watch?v=-01Glp1QSXU https://www.youtube.com/watch?v=-01Glp1QSXU 39 3.3 Interações coloide/solução: fenômenos de adsorção e troca de ânions e cátions As propriedades de adsorção iônica do solo são devidas, quase que totalmente, aos minerais de argila e à matéria orgânica coloidal do solo. Em função das cargas elétricas, negativas e positivas, que essas partículas coloidais apresentam, elas são responsáveis pela adsorção ou "retenção", por diferença de carga, de cátions e ânions. Os íons adsorvidos às partículas coloidais podem ser deslocados e substituídos, estequiometricamente, por outros íons de mesmo tipo de carga, ocorrendo assim uma troca iônica. As cargas negativas são neutralizadas por íons eletropositivos, ou seja, pelos cátions na solução do solo, o que se denomina adsorção catiônica. Na neutralização de cargas positivas pelos ânions tem-se a adsorção aniônica. Como as cargas da fase sólida se manifestam na superfície das partículas do solo, há estreita relação entre o fenômeno de troca e a área superficial desses coloides. Assim, o fenômeno de troca iônicado solo é uma função de sua superfície específica e da densidade e tipo de cargas elétricas nesta superfície. É representado como capacidade de troca catiônica (CTC) e capacidade troca aniônica (CTA). Os íons envolvidos no processo de adsorção ligam-se por eletrovalência ou por covalência às partículas coloidais do solo, pela formação de complexos de esfera externa (interação onde o cátion mantém sua camada de hidratação e se liga por forças eletrostáticas). Os cátions mais envolvidos quantitativamente nesse processo são: Ca2+, Mg2+, Al3+, H+, K+, Na+ e NH4+, sendo o Ca2+, comumente, o mais abundante em alguns solos, enquanto, em outros, o Al3+ predomina. Ao conjunto dos cátions que ocupam a CTC do solo, saturando-a, juntamente com as cargas negativas dos coloides denomina-se complexo sortivo do solo. Alguns micronutrientes são também adsorvidos pelo mesmo processo, embora em quantidades muito pequenas se comparados aos listados inicialmente. 40 A CTC do solo é responsável pela retenção e liberação dos cátions dos coloides para a solução do solo, permitindo sua permanência no sistema de forma a serem absorvidos pelos microrganismos e pelas raízes das plantas, e reduzindo sua progressiva lixiviação. Dada a essa importância, as características relacionadas com a CTC do solo são quantificadas e utilizadas em interpretações e em cálculos de necessidades de corretivos e de fertilizantes. Essas características são a própria CTC, também representada por valor “T” para a CTC determinada a pH 7,0, ou por “t” ou CTCe para CTC efetiva, medida no pH do solo; a soma de bases (SB); o índice de saturação por bases ou valor V%; a acidez trocável (alumínio trocável); a acidez total (H + Al); e a saturação por alumínio (m ou Alsat). Os métodos de determinação dos elementos do complexo sortivo e os cálculos das variáveis citadas, podem ser consultados em Teixeira et al. (2017). Uma ideia da amplitude da variação das características relacionadas com a CTC do solo, bem como a divisão dessas características em classes, de acordo com a magnitude da mesma, para solos de regiões tropicais, como os do Estado de Minas Gerais, é apresentada no Quadro 5. Quadro 5. Características relacionadas com a CTC de solos do Estado de Minas Gerais. Característica Classes em função dos valores Muito Baixo Baixo Médio Alto Muito Alto SB cmolc/dm3 ≤ 0,6 0,61–1,8 1,81–3,6 3,61– 6,0 > 6,0 Al3+ cmolc/dm3 ≤ 0,2 0,21–0,5 0,51–1,0 1,01– 2,0 > 2,0 t cmolc/dm3 ≤ 0,8 0,81–2,3 2,31–4,6 4,61– 8,0 > 8,0 (H+Al) cmolc/dm3 ≤ 1,0 1,01–2,5 2,51–5,0 5,01– 9,0 > 9,0 T cmolc/dm3 ≤ 1,6 1,61–4,3 4,31–8,6 8,61– 15,0 > 15,0 m % ≤ 15, 15,1–30 30,1–50 50,1– 75 > 75,0 V % ≤ 20 20,1–40 40,1–60 60,1– 80 > 80,0 Fonte: Comissão de Fertilidade do Solo do Estado de Minas Gerais (1999). A capacidade de troca aniônica é definida como o poder do solo de reter ânions na fase sólida, numa forma trocável com outros ânions da solução. Entretanto, a manifestação desta propriedade não se dá como na CTC, isto é, 41 não são atendidas tão perfeitamente às condições de rapidez, reversibilidade e estequiometria. Por esta razão, a troca aniônica é mais frequente e convenientemente denominada adsorção aniônica, sendo um processo mais complexo do que a simples troca. Embora ânions como NO3-, SO4= e Cl- sejam trocáveis e obedecem às mesmas condições apresentadas para os cátions quanto a CTC, alguns ânions como os fosfatos e molibdatos são adsorvidos de forma diferenciada e são ditos não trocáveis. Nestes últimos ocorre a formação de complexos de esfera interna, onde o íon perde a camada de hidratação ao se ligar diretamente ao sítio de troca, o que resulta em uma ligação mais forte e estável (uma combinação de ligações covalentes e iônicas), chamada de adsorção específica. Por este processo os ânions são retidos pela fase sólida, passando a fazer parte da estrutura do coloide, em sua superfície. Este tipo de adsorção é de baixa reversibilidade e é bem conhecido para o fósforo, sendo o principal responsável pela fixação deste elemento, principalmente nos solos ricos em óxidos de ferro e alumínio. Uma reação desta natureza é representada a seguir de forma simplificada (Mengel & Kirkby, 1982): O ânion que pode deslocar o fósforo da fase sólida do solo com maior eficiência é o silicato (H3SiO4-). Em segundo lugar, vem o sulfato e o nitrato e o cloreto praticamente não têm poder de substituir o fosfato. Assim, se diz que a retenção de nitrato e cloreto no solo se dá por adsorção não específica e tem caráter reversível. 42 3.4 Reações do solo, ácido – base e oxidação e redução Para avaliar a reação do solo pode ser analisado o seu grau de acidez ou alcalinidade, sendo a variável pH do solo a mais usada para identificá-la. A acidez é definida como a concentração de íons hidrogênio em solução. As moléculas de água se dissociam em H+ e OH-, de acordo com sua constante de dissociação. O pH é definido como o logaritmo do valor de concentração do hidrogênio, com o sinal trocado. Na água pura o pH é, portanto, igual a 7. O aumento da atividade de H+ em solução determina valores de pH menores que 7,0, e o aumento dos íons OH- eleva o pH a valores maiores do que 7,0. pH = -log[H+] A água no espaço poroso do solo apresenta sais dissociados, coloides minerais e orgânicos e seres vivos em constante atividade. Estes componentes são capazes de alterar direta ou indiretamente o pH. O solo também apresenta minerais capazes de liberar elementos, quando são alterados pelo intemperismo, que afetam o pH. Além disso, a superfície do solo está em contato e é influenciada pela atmosfera, recebendo adições e promovendo perdas de gases que afetam o pH do solo. Ou seja, em se tratando o solo de um sistema aberto, ele está constantemente recebendo fluxos de matéria, especialmente pelas soluções percolantes ou ainda a água que ascende do lençol freático. O balanço da ação destes diversos contribuintes determina o pH do solo. Em função de seu pH, os solos podem ser separados em ácidos, neutros ou alcalinos. Em climas tropicais e úmidos, que favorecem o intemperismo, os solos tornam-se progressivamente mais ácidos, em função da perda dos cátions alcalinos e alcalino-terrosos (ex. cálcio e potássio) e da progressiva liberação de alumínio pela degradação dos minerais de argila. Em climas mais frios, também ocorre a acidificação, porém, é mais influenciada pelo material orgânico depositado através da serrapilheira. Já os solos alcalinos ocorrem em climas áridos ou semiáridos, onde as condições climáticas favorecem a ascensão de sais, ou em condições de relevo e sazonalidade peculiares, como no Pantanal, 43 que permitem seu acúmulo. A acidez afeta todos os fenômenos químicos e biológicos que ocorrem no solo. Aliada à constituição química, ela determina a capacidade produtiva e impõe limitações nutricionais ao crescimento das plantas. O pH afeta a disponibilidade dos nutrientes e de elementos tóxicos aos vegetais, afetando também a decomposição da matéria orgânica e a sobrevivência e proliferação de organismos do solo. Quanto as reações de oxidação e redução, na superfície terrestre predominam condições oxidantes, pela abundância do oxigênio. Nos solos, em sua maioria, prevalece essa condição e o meio oxidante favorece a rápida decomposição da matéria orgânica, uma vez que a respiração aeróbia é mais eficiente e rápida que a anaeróbia. Porém, o ambiente redutor pode ocorrer no solo, principalmente em condições de acúmulo de água, decorrentes de má drenagem, posição do solo na paisagem ou ainda artificiais, como na irrigação por inundação permanente. Micro sítios de redução podem ocorrer em solos bem a moderadamente drenados, em seções do solo onde o oxigênio tem sua difusão limitada ou seu consumo é rápido, como camadas compactadas ou adensadas, ou ainda por grande aporte