Nitrous oxide emission and soil organic matter fron long term agroecosystems in the cerrado region of Brazil

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária, Programa de Pós-Graduação em Agronomia, 2016.As alterações que ocorrem na conversão de ambientes naturais sob Cerrado em áreas agrícolas afetam diretamente a dinâmica da matéria orgânica do solo (MOS) e, consequentemente, a dinâmica do nitrogênio (N). Como resultado, ocorre elevação das emissões de óxido nitroso (N2O) do solo para atmosfera. A adoção de agroecossistemas conservacionistas como o plantio direto (PD), com rotações culturais, tem sido proposta como uma estratégia para mitigar as emissões de N2O decorrentes da agricultura que utiliza o preparo convencional do solo (PC). O PD que preconiza o maior acúmulo de resíduos vegetais, em quantidade e qualidade, mediante a rotação e sucessão de culturas utilizadas em cada região agrícola, resulta na formação de diversos compostos orgânicos que são genericamente separados em frações lábeis e estáveis da MOS. Contudo, ainda não está claro como essas frações da MOS, a sazonalidade pluviométrica do Cerrado e os ciclos de rotações culturais de diferentes agroecossistemas interagem e se relacionam com as emissões de N2O do solo. Para compreender melhor essa dinâmica, o presente trabalho foi desenvolvido com o objetivo de avaliar os agroecossistemas convencionais e conservacionistas nos fluxos de N2O e no acúmulo de frações da MOS, em experimento de longa duração, sob influência da sazonalidade do Cerrado. Para tanto, o N2O emitido do solo sob PC, PD (dois sistemas com diferenças na rotação e sucessão de culturas) e o Cerrado nativo foi monitorado por um ano, através do uso de câmaras estáticas fechadas, juntamente, com a determinação das co-variáveis edafoclimáticas: nitrato, amônio, umidade do solo, espaço poroso saturado por água e temperatura do solo. Também foram determinados os teores e estoques totais de C e N orgânico e as seguintes frações da matéria orgânica do solo: carbono inerte, carbono oxidado por permanganato de potássio, carbono da biomassa microbiana, carbono particulado, substâncias húmicas (ácido húmico, ácido fúlvico e humina) e carbono associado aos macro e microagregados. A pesquisa foi desenvolvida na Embrapa Cerrados, em Planaltina, DF, em um experimento instalado em 1996, cujo delineamento estatístico foi em blocos casualizados, com três repetições. O Cerrado nativo foi utilizado como ambiente de referência. O PC apresentou os maiores picos de N2O, principalmente, no período seco do ano, com maior emissão acumulado (1,36 kg N2O ha-1), com 75% do total, durante o pousio. Entre os agroecossistemas estudados as emissões acumuladas de N2O do solo foram influenciadas pela sazonalidade das precipitações pluviométricas, sistemas de manejo, rotação de culturas, assim como, pela interação entre esses fatores. Os sistemas integrados sob PD, quando comparados ao monocultivo de soja sob PC, contribuíram para a mitigação de emissões de N2O. O PD com rotação milho/guandu apresentou a menor emissão acumulada (0,48/0,15 kg N2O ha-1, respectivamente), sendo uma alternativa viável para reduzir as emissões de N2O. Por meio de análise de componentes principais, observou-se, de maneira geral, uma separação do PC dos demais sistemas de uso do solo, como consequência da maior emissão de N2O por esse sistema associada aos baixos teores de C nas diversas frações da MOS. Conclui-se que sistemas de manejo do solo que incrementam C de forma equilibrada entre frações lábeis e estáveis da MOS, como ocorre no plantio direto, além de criar mecanismos de proteção desse C em agregados e apresentam baixa emissão de N2O do solo.The changes in agricultural areas resulting from the conversion of natural environments in the savanna-like vegetation directly affect the dynamics of soil organic matter (SOM) and consequently nitrogen (N) dynamics. As a result, the soil-to-atmosphere emissions of nitrous oxide (N2O) increase. Conservation agriculture in agroecosystens have been proposed, e.g., no tillage (NT) with crop rotation, as a strategy to reduce the N2O emissions generated by conventional tillage (CT) agriculture. In NT systems, the cumulative quantity and quality of plant residues is higher, due to region-specific crop rotation and succession, resulting in the formation of different organic compounds, generally separated into labile and stable SOM fractions. However, the interactions and relationships of N2O soil emissions with these SOM fractions, the rainfall seasonality of the Cerrado and crop rotation cycles in different agro-ecosystems are still poorly understood. To shed light on these dynamics, this study addressed the changes in N2O fluxes and accumulation of SOM fractions in conventional and conservation agricultural ecosystems in a long-term experiment, influenced by the seasonality of the Cerrado. To this end, N2O emissions from soil under CT and NT (systems with differences in crop rotation and succession) and from native Cerrado vegetation were monitored for one year with the use of static closed chanbers for quantitative measurement, aside from assessments of soil and climate co-variables: nitrate, ammonium, soil moisture, water-filled pore space, and soil temperature. The total pools of organic carbon (C) and N were also determined, as well as the SOM fractions: inert carbon, potassium permanganate oxidized C, microbial biomass C, particulate C, humic substances (humic acid, fulvic acid and humin), and carbon associated with macro- and micro-aggregates. The study was carried out at Embrapa Cerrados, in Planaltina, Distrito Federal, as part of an experiment installed in 1996, arranged in a randomized block design with three replications. The native vegetation was used as reference environment. The highest N2O peaks were observed under CT, mainly in the dry season, with highest cumulative emissions (1.36 kg N2O ha-1), 75% of the total, in the fallow period. In the studied agroecosystems, the cumulative N2O emissions from the soil were influenced by rainfall seasonality, management systems, crop rotation, as well as by interactions between these factors. Integrated systems under NT, compared to CT soybean monoculture, contributed to reduce N2O emissions. Cumulative emissions were lowest from NT maize/pigeon pea rotation (0.48/0.15 kg N2O ha-1, respectively), which is a viable alternative to reduce N2O emissions. Principal component analysis generally differentiated CT from the other land use systems, indicating higher N2O emissions and low C content in the various SOM fractions of this system. It was concluded that in soil management systems that increase C equally in the labile and stable SOM fractions, as in the case of no tillage, N2O soil emissions are low, apart from creating C protection mechanisms in aggregates