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- 1. 3. Complexo organo-mineral e formação de agregados LSN5897 – Matéria orgânica do solo Prof. Dr. Carlos Eduardo Pellegrino Cerri Guilherme Lucio Martins Gustavo Pereira Valani Paulo César da Silva Santos Piracicaba – 2019
- 2. 1. Definição: Complexos organo-minerais: estruturas básicas dos agregados do solo, formadas pela união entre partículas de argila, óxidos de Fe/Al e matéria orgânica (DICK e SCHWERTMANN, 1996). Agregados: unidades estruturais do solo, formadas pela união entre partículas de areia, silte e argilas ligadas umas às outras (adesão) e aos agentes cimentantes (coesão; Bayer e Mielniczuk, 2008).
- 3. Agregação do solo Durante o processo de agregação, as partículas minerais do solo (silte e areia fina) são cobertas com resíduos decompostos de plantas ou de animais e outros materiais orgânicos. Busato et al. (2009).
- 4. 2. Importância dos agregados do solo Aeração/porosidade do solo; Infiltração/retenção de água; Resistência à compactação; Prevenção/controle de erosão; Micro, meso e macrofauna; Proteção do carbono no solo; Reflexos em produção vegetal. Robertson (2015).
- 5. 3. Processo de formação dos agregados Se dar pela combinação entre forças mecânica e agentes cimentantes, que promovem respectivamente a aproximação e a consolidação dos constituintes dos agregados. PARTÍCULAS DISPERSAS DISPERSÃO DE PARTÍCULAS PARTÍCULAS DISPERSAS APROXIMAÇÃO DE PARTÍCULAS PARTÍCULAS DISPERSAS UNIÃO DE PARTÍCULAS PROCESSOS: FÍSICOS, QUÍMICOS E BIOLÓGICOS. AGENTES CIMENTANTES: FAUNA DO SOLO, EXSUDATOS E MOS.
- 6. 3. Processo de formação dos agregados Aproximação entre partículas: Gravidade; Raízes; Contração/expansão do solo; Fauna do solo; Consolidação entre partículas: Argila; Matéria orgânica; Óxidos de Fe e de Al; Fungos/bactérias/minhocas. CONSTITUNTES NDIVIDUAIS <2 μm COMPLEXO ORGANO-MINERAL <20 μm MICROAGREGADO <250 μm MACROAGREGADO >250 μm
- 7. Organização hierárquica dos agregados e fatores físicos, químicos e biológicos na sua formação
- 8. Macroagregados • > 250 µm • São dependentes da ação de hifas e de raízes de plantas • Sua densidade é menor e a porosidade maior • Influenciados pelo manejo do solo Microagregados • < 250 µm • Possuem ligações mais fortes e duradouras • Não são afetados pelo manejo • Podem servir como fonte de nutrientes • Proteção da matéria orgânica
- 9. Hierarquia dos agregados • Ocorre quando os macroagregados se separam em agregados menores sucessivamente até que se obtenha argila, silte e areia. • Há uma relação direta entre os mecanismos de agregação, o tamanho e a hierarquia de agregados do solo.
- 11. • FIGURA 4.9 Imagem: R. Weil
- 12. Processo de formação de agregados • Força mecânica para aproximação das partículas: • Processos naturais • Antropológicos • Presença de agente cimentante para consolidar o agregado: • Argilas • Matéria orgânica (subs húmicas) • Óxidos de Fe e Al • Micélios de fungos e actinomicetos • Polissacarídeos produzidos por bactérias • Dejeto de minhocas
- 13. Imagem: N. C. Brady Os agregados de solos ricos em matéria orgânica são muito mais estáveis do que aqueles com pouca matéria orgânica.
- 14. Processos físico-químicos • São mais importantes na formação dos agregados menores • Umedecimento e secagem • Contração e expansão minerais 2:1 • Penetração e expansão das raízes • Congelamento e derretimento • Escavações feitas pela fauna do solo • Atividades do homem e suas máquinas Agregados ≠ Torrões Mais importantes
- 15. Floculação e dispersão • Os minerais de argilas dos solos tropicais (gibbsita, hematita e goethita) apresentam cargas variáveis que são depentes de pH; • O Ca+ e o Al+ são floculantes, enquanto o Na+ é dispersante; • A aproximação de duas partículas de argila por íons positivos formam pontes chamadas de ligações argila-argila; • Também podem se ligar com o húmus e com silte fino promovendo a estabilidade dos microagregados.
- 16. Floculação e dispersão • Em solos de regiões áridas onde o Na+ é dominante, as forças de atração não são capazes de superar as de repulsão, e a floculação não ocorre, as partículas permanecem dispersas e se tornam impermeáveis; • O ambiente se torna inadequado ao crescimento de plantas; • Em solos arenosos a formação é dependente de processos biológicos. Imagem: R. Weil
- 17. Processos biológicos • Atividades de raízes, minhocas, cupins, ácaros, colêmbolos e microrganismos
- 18. Interações • Raízes penetram o solo abrindo canais e ajudam a formação dos macroporos; • Raízes e fungos exsudam polissacarídeos e compostos orgânicos que servem como agentes cimentantes na formação de microagregados.
- 19. C do solo desprotegido Qualidade da Liteira C do solo desprotegido C do solo protegido fisicamente C do solo protegido bioquimicamente Condensação/complexação Adsorção/dessorçãoCiclagem de agregados C do solo associado com microagregados C do solo associado com silte e argila C do solo não hidrolizável Six et al. (2002) Proteção física da MOS nos agregados
- 20. Salton et al. (2008) Relação entre Agregação e MOS
- 21. Antes do umedecimento ↑ MOS ↓ MOS Após do umedecimento ↑ MOS ↓ MOS Foto cortesia de N. C. Brady (Brady e Weil, 2013) Relação entre Agregação e MOS
- 22. MACROAGREGADO ESTÁVEL Microagregados Fragmentos de plantas e fungos Microagregados de silte + argila Microagregados de argila Matéria orgânica particulada Hifas de fungos Sá et al. (2008) RUPTURA DO AGREGADO PELO PREPARO MICROAGREGADO DISPERSO
- 23. Sá et al. (2008) Agregação e Preparo x MOS
- 24. Sá et al. (2008)
- 25. Considerações finais: MANEJO DO SOLO PARA MANUTENÇÃO DA MOS: • Menor revolvimento, • Rotação de culturas, • Cobertura do solo, • Atenção com máquinas e lotação animal.
Notas do Editor
- CONCEITO: Grupo de partículas com uma estrutura que apresenta um certo grau de estabilidade em relação à uma força externa. Na medida que os agregados aumentam de tamanho, uma sucessão de forças de maior alcance passa a dominar a estabilidade. Fig. 2 Conceptual diagram of aggregate hierarchy illustrating microaggregates inside a macroaggregate (modified from Jastrow and Miller 1998, p. 209). Os macroagregados, condiciona a ocorrência de poros grandes, pelos quais a água e o ar podem se mover livremente e as raízes de plantas encontram caminhos fáceis para crescer. > INFLUENCIADOS PELO MANEJO DO SOLO
- No estudo morfológico do solo, a estrutura pode ser observada em diferentes níveis, desde a escala macroscópica dos agregados ou unidades estruturais até o nível microscópico das partículas de argila (micromorfologia do solo).
- A macroaggregate composed of many microaggregates bound together mainly by a kind of sticky network formed from fungal hyphae and fine roots. A microaggregate consisting mainly of fine sand grains and smaller clumps of silt grains, clay, and organic debris bound together by root hairs, fungal hyphae, and microbial gums. A very small submicroaggregate consisting of fine silt particles encrusted with organic debris and tiny bits of plant and microbial debris (called particulate organic matter) encrusted with even smaller packets of clay, humus, and Fe or Al oxides. Clusters of parallel and random clay platelets interacting with Fe or Al oxides and organic polymers at the smallest scale. These organoclay clusters or domains bind to the surfaces of humus particles and the smallest of mineral grains.
- Substancias húmicas: a humina é o fator principal da estabilização de agregados Óxidos: importantes em solos intemperizados (gibsita e goetita) maiores presenças de cargas positivas (AGENTES ESTABILIZADORES DA ESTRUTURA) Processo de formação é muito dinâmico: alguns se desintegram e outros se formam a medida que novas condições do solo aparecem.
- Os agregados com baixo teor de MO se desfazem quando umedecidos enquanto os de alto teor de MO são estáveis.
- Agregados umidos se expandem e se pressionam um com os outros, tornando mais dificil a identificação. Contração e expansão OU adesão e coesão: as partículas de argilas se aderem aos grãos de areia e se ligam por meio de moléculas de agua, após a secagem as partículas de argila de aproximam e tornam a ligação mais forte Quando o solo se seca as particulas de argilas se aproximam, contraindo o seu volume, abrindo fissuras no solo Mudança de volume em materiais argilosos Torrões: blocos comprimidos e coesos de material do solo Agregados: podem ser desmanchados em agregados menores
- FLOCULAÇÃO: CAPACIDADE DE FORMAR FLOCOS (formação de coágulos) .Estão associados com as argilas e são mais importantes em solos de textura fina OS CATIONS DE CA E AL NEUTRALIZAM AS CARGAS NEGATIVAS DAS ARGILAS E PODEM FORMAR PONTES.
- OS IONS DE NA CAUSAM REPULSÃO E PROVOCAM A CONDIÇÃO DE DISPERSÃO. O ION DE NA+ É GRANDE E NÃO SE APROXIMA DA PARTICULA DE ARGILA; A CARGA ÚNICA DO NA NÃO É EFICIENTE EM FORMAR PONTES ENTRE AS ARGILAS Such di- and trivalent cations as Ca2+, Fe3+, and Al3+ are tightly adsorbed and can effectively neutralize the negative surface charges on the clay particles. These cations can also form bridges that bring clay particles together. Monovalent ions, especially Na+, with relatively large hydrated radii can cause clay particles to repel each other and create a dispersed condition. Three things contribute to such dispersion: the large hydrated Na+ ion does not get close enough to the clay to effectively neutralize the negative charges the single charge on Na+ is not effective in forming a bridge between clay particles compared to di- or trivalent ions, 2 or 3 times as many monovalent ions must crowd between clay particles in order to neutralize the charges on the clay surfaces
- Raizes, minhocas, cupins: abertura de galerias auxiliando na estrutura do solo Acaros, colembolos: abertura de poros e transformação de material organico Microrganismos: polissacarídeos excretados que auxiliam na formação de agregados
- As raízes também influênciam na secagem, é um exemplo da interação física e biológica do solo ligações de materiais orgânicos com as partículas minerais pela ação física de raízes ou hifas de fungos a ação da matéria orgânica do solo na diminuição da entrada de água no agregado (hidrofobicidade do agregado)
- Unprotected SOM: recently derived, partially decomposed plant residues that are not closely associated with soil minerals constitute the unprotected SOM pool. soil organic matter can be: (1) physically stabilized, or protected from decomposition, through microaggregation, or (2) intimate association with silt and clay particles, and (3) can be biochemically stabilized through the formation of recalcitrant SOM compounds. The three SOM pools are the silt- and clay-protected SOM (silt and clay defined as < 53 µm organomineral complexes), microaggregateprotected SOM (microaggregates defined as 53–250 µm aggregates), and biochemically protected SOM Silt and clay protected SOM C associated with primary organomineral complexes are chemically protected and the amount of protection increased with an increased silt plus clay proportion of the soil The type of clay plays an important role because different types of clay (i.e. 1:1 and 2:1 clays) have substantial differences in CEC and specific surface (Greenland, 1965) and should, consequently, have different capacities to adsorb organic materials. In summary, we found, as Hassink (1997) did, a direct relationship between silt plus clay content of soil and the amount of silt- and clay-protected soil C, indicating a saturation level for silt and clay associated C. This relationship was different between different types of land use, different clay types, and for different determinations of silt plus clay size class. Also, the silt- and clay-associated soil organic matter was reduced by cultivation. Aggregates physically protect SOM by forming physical barriers between microbes and enzymes and their substrates and controlling food web interactions and consequently microbial turnover (Elliott and Coleman, 1988). The physical protection exerted by macro- and/or microaggregates on POM C is attributed to: (1) the compartmentalization of substrate and microbial biomass (Killham et al., 1993; van Veen and Kuikman, 1990), (2) the reduced diffusion of oxygen into macroand especially microaggregates (Sexstone et al., 1985) which leads to a reduced activity within the aggregates (Sollins et al., 1996), and (3) the compartmentalization of microbial biomass and microbial grazers (Elliott et al., 1980). The compartmentalization between substrate and microbes by macro- and microaggregates is indicated by the highest abundance of microbes on the outer part of the aggregates (Hattori, 1988) and a substantial part of SOM being at the center of the aggregates (Elliott and Coleman, 1988; Golchin et al., 1994) Different clay types lead to different mechanisms involved in aggregation (Oades and Waters, 1991) and will therefore influence differently the protection of POM through microaggregation. Within the 2:1 clay minerals, clay minerals with a high CEC and larger specific surface, such as montmorillonite and vermiculite, have a higher binding potential than clay minerals with a lower CEC and smaller specific surface, such as illite (Greenland, 1965). In contrast to the 2:1 minerals, kaolinite and especially Feand Al-oxides have a high flocculation capacity due to electrostatic interactions through their positive charges (Dixon, 1989; Schofield and Samson, 1954). Even though, different mechanisms prevail in soils with different clay types, soils seem to have a maximum level of aggregate stability. Since the physical protection of POM seems to be mostly determined by microaggregation, we hypothesize that the maximum physical protection capacity for SOM is determined by the maximum microaggregation, which is in turn determined by clay content, clay type. Biochemical stabilization is understood as the stabilization of SOM due to its own chemical composition (e.g. recalcitrant compounds such as lignin and polyphenols) and through chemical complexing processes (e.g. condensation reactions) in soil. Biochemical stabilization or protection of SOM occurs due to the complex chemical composition of the organic materials. This complex chemical composition can be an inherent property of the plant material (referred to as residue quality) or be attained during decomposition through the condensation and complexation of decomposition residues, rendering them more resistant to subsequent decomposition. Therefore the third pool in our model (Figure 1) is a SOM pool that is stabilized by its inherent or acquired biochemical resistance to decomposition. The silt and clay protected C pool is the C that is protected by association with the mineral particles and is by our definition hydrolyzable. The size of the pool depends on the silt and clay proportion in soil and the relationship between the silt and clay proportion differs between forest and grassland ecosystems. With the same proportion of silt and clay particles, 2:1 clay mineral dominated soils have a greater silt- and clay-protected C pool than 1:1 clay mineral dominated soils. Upon cultivation, silt- and clay-protected C is lost. The physical protection of SOM exerted by aggregates is indicated by a positive influence of aggregation on the accumulation of SOM. In addition, cultivation has been found to result in a loss of SOM by breaking up the aggregates. Along with the accumulation of SOM by inclusion in aggregates, a qualitative change in the chemical structure of SOM has been found. The physical protection of SOM exerted by aggregates is predominantly at the microaggregate level. Therefore our second protected SOM pool is the microaggregate-protected C pool. The biochemically-protected C pool turns over very slowly and is often equated to the nonhydrolyzable fraction. It is the inherent and attained complex chemical composition of the nonhydrolyzable fraction that inhibits decomposition. The unprotected C pool is isolated as LF or POM not occluded within microaggregates.
- Relação entre carbono orgânico total (COT) do solo e o índice de estabilidade dos agregados (IEA), na camada de 0 a 20 cm de Latossolos sob sistemas de manejo em experimentos de longa duração em Mato Grosso do Sul. L-PC: lavouras em plantio convencional; L-PD: lavouras em plantio direto; S4P4: rotação soja por 4 anos – pastagem (P. maximum) por 4 anos; S1P3: rotação soja por um ano – pastagem (B. brizantha) por 3 anos; S2P2d: rotação soja por 2 anos – pastagem (B. decumbens) por 2 anos; S2P2b: rotação soja por 2 anos – pastagem (B. brizantha) por 2 anos; PPd: pastagem permanente (B. decumbens); PPb: pastagem permanente (B. brizantha); VN: vegetação natural. Conclusão: A estabilidade dos macroagregados está relacionada ao teor de C orgânico no solo.
- Ruptura do agregado pelo preparo: entrada de oxigênio e exposição de material orgânico facilmente decomponível (matéria orgânica particulada, hifas de fungos e raízes) ao ataque da microbiota do solo, resultando na redução do conteúdo de carbono orgânico. Microagregados dispersos: partículas de argila, microestrutura de argila, microagregados de silte + argila e microagregados dispersos.
- Consequências A) Solo não perturbado: MOS em equilíbrio Fluxo contínuo de água, ar e nutrientes Elevada diversidade biológica Funcionamento dos ciclos biogeoquímicos B) Preparo do Solo: Erosão do solo: perda de água, MOS e nutrientes Ruptura dos agregados e oxidação elevada da MOS Redução da diversidade biológica e qumento de agentes patogênicos Redução da fertilidade e desequilíbrio nutricional C) Plantio Direto: Redução da erosão do solo, perda de água e nutrientes Reagregação, proteção e aumento da MOS Recuperação da diversidade biológica Aumento da ciclagem de nutrientes e da fertilidade do solo
- Redução do conteúdo original de carbono devido ao preparo convencional associado à monocultura. Números abaixo da seta representam a perda anual em porcentagem ao ano de C devido ao preparo do solo A = Canadá B = Argentina C e D = Brasil the effect of climate can not be ignored in this comparison because most 1:1 clay dominated soils were located in (sub)tropical regions. The higher temperature and moisture regimes in (sub)tropical regions probably also induce a faster decomposition rate and therefore contributes to the lower stabilization of C by the 1:1 clays.