Biology · Livro 4 · Bachelor Year 2

Biologia universitária — 2.º ano

Biologia universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2

26O solo vivo

O último livro de Charles Darwin, publicado um ano antes de sua morte, tratava das minhocas. Ele tinha colocado um marcador de giz num campo perto de sua casa em 1842 e o desenterrou em 1871: estava a dezoito centímetros de profundidade, enterrado pelos excrementos que as minhocas tinham trazido à superfície num ritmo que ele mediu, pesou e multiplicou — dez toneladas de solo por acre por ano passando por seus corpos, de modo que “toda a terra vegetal superficial de qualquer extensão desse tipo passou, e voltará a passar, a cada poucos anos, pelo corpo das minhocas”. O solo, em outras palavras, não é um substrato sobre o qual os seres vivos se apoiam, mas algo que os seres vivos fazem. Este capítulo trata dessa fabricação: como a rocha se torna solo e com que lentidão, quem vive nele e em que números, como a matéria morta é desmontada e o que resta, como as raízes das plantas negociam com fungos e bactérias aquilo que não conseguem obter sozinhas, e com que rapidez um solo que levou dez mil anos para se formar pode ser perdido.

26.1 O que é o solo

Definição 26.1 (O solo e seus horizontes)

O solo é a camada de matéria mineral intemperizada, matéria orgânica, água, ar e organismos que recobre as terras emersas e sustenta as plantas: cerca de metade de seu volume são poros, cheios de água ou de ar em proporções variáveis, e a metade sólida são grãos minerais — areia (0.05 a 2 mm0.05\text{ a }2\,\mathrm{mm}), silte (2 a 50 µm2\text{ a }50\,\text{µ}\mathrm{m}) e argila (menos de 2 µm2\,\text{µ}\mathrm{m}), cujas proporções dão a textura —, com alguns por cento de matéria orgânica que governa a maior parte de suas propriedades. Um perfil de solo mostra horizontes: o horizonte O, de serapilheira e matéria orgânica parcialmente decomposta, na superfície; o horizonte A, escuro, de solo mineral misturado com húmus, o resíduo estável, escuro e coloidal da decomposição; o horizonte B, abaixo, para o qual a argila, o ferro e a matéria dissolvida são lavados e onde se acumulam; o horizonte C, de rocha-mãe intemperizada; e a rocha matriz. Um solo é formado (pedogênese) por cinco fatores — material de origem, clima, organismos, relevo e tempo — e é formado lentamente: o intemperismo produz da ordem de 0.1 mm0.1\,\mathrm{mm} de solo por ano, de modo que um metro de solo são dez mil anos de trabalho.

Um perfil de solo. A matéria orgânica entra pelo topo e é consumida à medida que desce; a matéria mineral é liberada na base e levada para cima pelas raízes e pelos animais; a matéria dissolvida desce com a água e é retida no horizonte B.
Um perfil de solo. A matéria orgânica entra pelo topo e é consumida à medida que desce; a matéria mineral é liberada na base e levada para cima pelas raízes e pelos animais; a matéria dissolvida desce com a água e é retida no horizonte B.

Proposição 26.2 (Por que a argila e o húmus importam)

As partículas de argila e o húmus têm cargas negativas em sua superfície e retêm, por atração eletrostática, uma reserva de cátions trocáveis — Ca2+\mathrm{Ca^{2+}}, Mg2+\mathrm{Mg^{2+}}, K+\mathrm{K^{+}}, NH4+\mathrm{NH_4^{+}} — dos quais as raízes das plantas se servem trocando-os por H+\mathrm{H^{+}}. Essa capacidade de troca catiônica é o banco de nutrientes do solo; uma areia quase não a tem (alguns centimols de carga por quilograma), um franco-argiloso rico em húmus tem cinquenta vezes mais, e a fertilidade dos dois difere na mesma proporção. As mesmas superfícies retêm a água: um solo arenoso drena em um dia até uma capacidade de campo de um décimo de seu volume, um solo franco retém um terço, e a diferença é o que uma cultura tem à disposição entre duas chuvas. E o húmus, junto com as hifas dos fungos, os exsudatos das raízes e o muco das minhocas, cola os grãos minerais em agregados, a estrutura grumosa cujos poros deixam passar o ar, a água e as raízes — a propriedade que distingue um solo de um sedimento e que é destruída em primeiro lugar pela aração e pela compactação.

26.2 Quem vive lá

Proposição 26.3 (A comunidade do solo)

Um grama de camada superficial fértil contém cerca de 10910^{9} células bacterianas de umas dez mil espécies, cem metros de hifas de fungos, 10410^{4} protistas, algumas dezenas de nematoides e um punhado de ácaros e colêmbolos; um metro quadrado abriga algumas centenas de minhocas e, abaixo dos animais visíveis, uma massa viva de várias toneladas por hectare — comparável ao gado que o mesmo hectare poderia sustentar. A comunidade é uma teia alimentar detrítica: as bactérias e os fungos (os decompositores) comem a matéria morta e são comidos pelos protistas e pelos nematoides (os pastadores microbianos), que são comidos pelos ácaros e pelos nematoides predadores, que alimentam centopeias e besouros; os detritívoros — minhocas, diplópodes, tatuzinhos, cupins, colêmbolos — comem a própria serapilheira com os micróbios que ela contém, fragmentando-a mil vezes e multiplicando a superfície que os micróbios atacam. Os pastadores importam além de seu número: ao comer bactérias, eles liberam na forma de amônio o nitrogênio preso nas células bacterianas, e um solo com protistas e nematoides mineraliza o nitrogênio mais depressa que um solo só com bactérias. As minhocas são as engenheiras do ecossistema: suas galerias são os macroporos do solo, seus excrementos são os agregados mais ricos, e as minhocas de uma pastagem fazem passar por seu intestino algumas toneladas de solo por hectare a cada ano, como Darwin mediu.

O solo e dois de seus artífices. À esquerda: um perfil num barranco, com a camada superficial escura passando gradualmente à rocha alterada clara. No meio: uma minhoca em sua galeria. À direita: uma raiz com seu manto ectomicorrízico e as hifas que a prolongam no solo. O solo e dois de seus artífices. À esquerda: um perfil num barranco, com a camada superficial escura passando gradualmente à rocha alterada clara. No meio: uma minhoca em sua galeria. À direita: uma raiz com seu manto ectomicorrízico e as hifas que a prolongam no solo. O solo e dois de seus artífices. À esquerda: um perfil num barranco, com a camada superficial escura passando gradualmente à rocha alterada clara. No meio: uma minhoca em sua galeria. À direita: uma raiz com seu manto ectomicorrízico e as hifas que a prolongam no solo.
O solo e dois de seus artífices. À esquerda: um perfil num barranco, com a camada superficial escura passando gradualmente à rocha alterada clara. No meio: uma minhoca em sua galeria. À direita: uma raiz com seu manto ectomicorrízico e as hifas que a prolongam no solo.

26.3 Decomposição

Teorema 26.4 (A decomposição da serapilheira e a razão carbono/nitrogênio)

A serapilheira se decompõe a uma taxa proporcional ao que resta, dL/dt=−kL\mathrm{d}L/\mathrm{d}t = -kL, logo L=L0e−ktL = L_0 e^{-kt}, com uma constante de decomposição kk de cerca de 1 por ano para gramíneas e folhas caducas numa floresta temperada, 0.30.3 para acículas de coníferas, várias por ano nos trópicos úmidos e 0.050.05 na tundra; uma entrada constante II por ano forma uma camada de serapilheira de I/kI/k. A decomposição é controlada pela temperatura, pela umidade e pela qualidade da serapilheira: teor de nitrogênio, teor de lignina e razão entre carbono e nitrogênio. Os micróbios têm C:N≈8\mathrm{C:N} \approx 8 e retêm cerca de 40 %40\,\% do carbono que comem, de modo que precisam de um nitrogênio para cada 8/0.4=208/0.4 = 20 carbonos de alimento: a serapilheira com C:N\mathrm{C:N} abaixo de cerca de 25 libera amônio ao se decompor (mineralização), ao passo que a serapilheira acima desse valor — a palha a 80, a madeira a 400 — faz os micróbios retirarem nitrogênio do solo (imobilização), privando as plantas até que o carbono tenha sido respirado e a razão tenha caído. É por isso que a palha fresca incorporada ao solo prejudica uma cultura, que os resíduos de leguminosas a alimentam, e que uma composteira precisa de ambos.

Demonstração. Para a razão: os micróbios que comem serapilheira com cc carbonos por nitrogênio assimilam 0.4c0.4c carbonos e, para construir biomassa com C:N=8\mathrm{C:N} = 8, precisam de 0.4c/8=c/200.4c/8 = c/20 nitrogênios; a serapilheira fornece 1. Se c<20c < 20, sobra nitrogênio, liberado como amônio; se c>20c > 20, há um déficit retirado do solo. O limiar de 25 na prática reflete uma eficiência de retenção um pouco abaixo de 0.4. Para a camada de serapilheira: dL/dt=I−kL\mathrm{d}L/\mathrm{d}t = I - kL tem o estado estacionário I/kI/k, atingido com a constante de tempo 1/k1/k; o tempo de residência da serapilheira é 1/k1/k, um ano numa floresta de faias e vinte na tundra. ∎

Evidências. Os experimentos com sacos de serapilheira — massas conhecidas de folhas em sacos de tela, enterrados e pesados a intervalos — deram a lei exponencial e suas constantes em todos os biomas (Olson, 1963), e mostraram, com diferentes tamanhos de malha, que excluir os animais do solo reduz a taxa à metade: os micróbios fazem a química, mas os animais ditam o ritmo. De um lado a outro de um continente, a mesma folha se decompõe em um ano na Geórgia e em oito no Alasca, proporcionalmente à evapotranspiração real, o produto do calor pela água. ∎

Decomposição exponencial da serapilheira. Metade de uma folha de faia desaparece em oito meses; metade de um musgo da tundra, em catorze anos; o resíduo que nem micróbio nem animal consegue terminar se torna húmus.
Decomposição exponencial da serapilheira. Metade de uma folha de faia desaparece em oito meses; metade de um musgo da tundra, em catorze anos; o resíduo que nem micróbio nem animal consegue terminar se torna húmus.

Proposição 26.5 (O húmus e o estoque de carbono do solo)

Alguns por cento do carbono da serapilheira escapam da oxidação completa e se tornam húmus: uma mistura escura e amorfa de resíduos microbianos, lignina alterada e compostos vegetais, ligada à argila e ao ferro e presa nos agregados, que se decompõe com tempos de residência de décadas a milênios. É no húmus que vive a fertilidade do solo — a maior parte de seu nitrogênio e de sua troca catiônica, metade de sua retenção de água — e ele é o maior estoque de carbono orgânico em terra, 1700 GtC1700\,\mathrm{GtC} no primeiro metro, o dobro do da atmosfera. Seu balanço é entrada menos decomposição, dH/dt=Ih−khH\mathrm{d}H/\mathrm{d}t = I_h - k_hH: com kh≈0.02k_h \approx 0.02 por ano, um solo contém cinquenta anos de entrada, e qualquer mudança — a aração, que quebra os agregados e areja o húmus; a drenagem de uma turfeira, que deixa entrar o oxigênio; o aquecimento, que eleva khk_h — aparece como uma perda que continua por décadas. Os solos cultivados do mundo perderam de um terço à metade de seu húmus desde que foram lavrados pela primeira vez, cerca de 100 GtC100\,\mathrm{GtC}, e um aquecimento de 3 ∘C3\,{}^{\circ}\mathrm{C} aumentaria em um terço a decomposição do restante: os solos são a maior incerteza do balanço de carbono do Capítulo 27.

26.4 Parcerias subterrâneas

Proposição 26.6 (Micorrizas e rizóbios)

Nove espécies de plantas em cada dez têm as raízes colonizadas por fungos numa micorriza: a planta dá açúcar (de um décimo a um quinto de seus fotoassimilados) e o fungo dá fosfato, nitrogênio, água e zinco, que suas hifas, cem vezes mais finas que uma raiz e com cem vezes o comprimento dela por unidade de carbono, coletam num volume de solo que a raiz não alcança — o fosfato em particular, que se difunde tão lentamente no solo que uma raiz esgota seu milímetro de vizinhança em poucos dias. As micorrizas arbusculares, o tipo mais antigo, penetram nas células da raiz e se ramificam em arbúsculos, onde ocorre a troca; as ectomicorrizas das árvores florestais envolvem a ponta da raiz e crescem entre suas células. As leguminosas vão além: os rizóbios, atraídos pelos flavonoides da raiz, entram por um pelo radicular, e a raiz constrói em torno deles um nódulo no qual as bactérias, como bacteroides, fixam nitrogênio com a nitrogenase — uma enzima tão sensível ao oxigênio que o nódulo precisa ser mantido quase anóxico pela leghemoglobina, uma hemoglobina produzida pela planta, que dá ao nódulo sua cor rosada e entrega oxigênio aos bacteroides numa concentração baixa demais para envenenar a enzima. Cada parceiro fiscaliza o outro: uma planta corta o açúcar dos nódulos que não fixam nada, e um fungo que entrega menos fosfato recebe menos carbono.

Evidências. Kiers e colaboradores (2011) cultivaram uma planta com dois fungos parceiros num sistema radicular dividido e ofereceram fosfato a um só lado: a planta destinou mais carbono ao fungo que fornecia mais fosfato, e o fungo destinou mais fosfato a uma raiz que dava mais carbono — recompensas recíprocas medidas com isótopos. Para os rizóbios, nódulos experimentalmente impedidos de fixar (substituindo-se o ar por argônio e oxigênio) receberam menos oxigênio e cresceram menos que nódulos da mesma planta que podiam fixar: a planta pune os trapaceiros. A marcação com nitrogênio-15 mostra que uma pastagem de trevo e gramínea transfere um terço do nitrogênio fixado pelo trevo para a gramínea em uma estação, através do solo e das redes de fungos compartilhadas. ∎

Duas barganhas. À esquerda: uma micorriza arbuscular, com o açúcar saindo e o fosfato entrando pelos arbúsculos dentro das células do córtex. À direita: um nódulo de leguminosa, onde a hemoglobina da própria planta mantém o oxigênio baixo o bastante para a nitrogenase e alto o bastante para a respiração.
Duas barganhas. À esquerda: uma micorriza arbuscular, com o açúcar saindo e o fosfato entrando pelos arbúsculos dentro das células do córtex. À direita: um nódulo de leguminosa, onde a hemoglobina da própria planta mantém o oxigênio baixo o bastante para a nitrogenase e alto o bastante para a respiração.

26.5 Perder o solo

Proposição 26.7 (Erosão, sal e o balanço de um solo)

O solo se forma a 0.05 a 0.5 mm0.05\text{ a }0.5\,\mathrm{mm} por ano e, sob vegetação natural, sofre erosão mais ou menos no mesmo ritmo. Uma terra nua e arada numa encosta perde 1 a 10 mm1\text{ a }10\,\mathrm{mm} por ano pela água e pelo vento — 10 a 100 t/ha10\text{ a }100\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} —, de dez a cem vezes a taxa de formação: um solo construído em dez mil anos é removido em um século, e com ele o húmus e os nutrientes do horizonte A, a única parte que importa. As culturas de cobertura, os terraços, a aração em curvas de nível e o plantio direto, que deixa os resíduos na superfície e os agregados intactos, trazem a perda de volta para perto da taxa de formação. A irrigação em climas secos traz o fracasso oposto: a água evapora e deixa seus sais, uma tonelada por hectare por ano a partir de uma água apenas ligeiramente salina, até que o potencial osmótico da solução do solo (Capítulo 15) fique mais baixo do que as raízes conseguem vencer — a salinização, que tirou de uso os campos da Suméria há quatro mil anos e hoje afeta um quinto das terras irrigadas. O estado de um solo é um balanço: húmus que entra contra húmus que sai, formação contra erosão, sal que entra contra sal drenado; cada um tem um tempo de residência e cada um, uma vez negativo, é lento para se reverter.

26.6 Exercícios

Exercício 26.1 ★

Nomeie os horizontes de um perfil de solo, da superfície para baixo, e diga o que acontece em cada um.

Solução

Solução de Exercício 26.1.

O: serapilheira e matéria orgânica parcialmente decomposta, onde começa a decomposição. A: solo mineral misturado com húmus, escuro e de estrutura grumosa, que contém a maior parte das raízes, dos organismos, dos nutrientes e da água. B: o horizonte de acumulação, onde se depositam a argila, os óxidos de ferro e os carbonatos lixiviados de cima. C: material de origem intemperizado, fragmentos de rocha numa matriz fina, onde é liberado o novo solo mineral. R: rocha matriz não intemperizada.

Exercício 26.2 ★

Explique o que é a capacidade de troca catiônica, por que um solo arenoso tem pouca, e o que faz ao solo um agricultor que aplica calcário num solo ácido.

Solução

Solução de Exercício 26.2.

As cargas negativas das superfícies da argila e do húmus retêm cátions trocáveis que as raízes podem absorver em troca de prótons. Os grãos de areia são de quartzo, sem carga e grossos, com pouca superfície por grama e praticamente sem húmus. A calagem acrescenta carbonato de cálcio: o cálcio desloca os íons hidrogênio e alumínio que saturam os sítios de troca de um solo ácido, o carbonato neutraliza a acidez, e os sítios voltam a ser ocupados por um cátion nutriente.

Exercício 26.3 ★

Liste os principais grupos da teia alimentar do solo, dos decompositores aos predadores de topo, com um organismo de cada, e diga o que os pastadores de bactérias fazem pelas plantas.

Solução

Solução de Exercício 26.3.

Decompositores: bactérias (Bacillus) e fungos (Trichoderma); pastadores microbianos: protistas (amebas) e nematoides bacterívoros; detritívoros: minhocas, diplópodes, colêmbolos, tatuzinhos; predadores: ácaros, nematoides predadores, centopeias, carabídeos; e toupeiras ou musaranhos no topo. Os pastadores, com uma C:N\mathrm{C:N} mais alta que a de suas presas bacterianas, excretam o nitrogênio excedente como amônio: eles mineralizam o nitrogênio que as bactérias tinham imobilizado.

Exercício 26.4 ★

Distinga as micorrizas arbusculares das ectomicorrizas, e diga o que cada parceiro dá e recebe.

Solução

Solução de Exercício 26.4.

Arbuscular: o fungo (um glomeromiceto) penetra nas células do córtex da raiz e forma arbúsculos; encontrada na maioria das ervas e das culturas e nas árvores tropicais. Ectomicorriza: o fungo (basidiomicetos e ascomicetos, muitos deles cogumelos) envolve a ponta da raiz e cresce entre as células sem penetrar nelas; encontrada nas árvores temperadas e boreais. Nos dois casos, a planta dá açúcar e o fungo dá fosfato, nitrogênio, água, micronutrientes e alguma proteção contra patógenos.

Exercício 26.5 ★★

Uma floresta de faias deixa cair 4 t/ha4\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de folhas por ano, e sua serapilheira se decompõe com k=0.8k = 0.8 por ano. Calcule a massa de serapilheira em estado estacionário, o tempo de residência da serapilheira e o tempo para que a queda de um ano perca 90 %90\,\% de sua massa.

Solução

Solução de Exercício 26.5.

L∗=I/k=4/0.8=5 t/haL^{*} = I/k = 4/0.8 = 5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}; tempo de residência 1/k=1.251/k = 1.25 ano; perda de 90 %90\,\% após ln⁡10/0.8=2.9\ln 10/0.8 = 2.9 anos.

Exercício 26.6 ★★

A palha de trigo tem C:N=80\mathrm{C:N} = 80 e os resíduos de trevo, 1515. Para cada um, calcule o nitrogênio de que os micróbios precisam por 100 kg100\,\mathrm{kg} de carbono consumido (retenção de 0.4, C:N=8\mathrm{C:N} = 8 nos micróbios) e se o resíduo mineraliza ou imobiliza, e quanto.

Solução

Solução de Exercício 26.6.

Para cada 100 kg100\,\mathrm{kg} de carbono comido, os micróbios retêm 40 kg40\,\mathrm{kg} e precisam de 40/8=5 kg40/8 = 5\,\mathrm{kg} de nitrogênio. A palha fornece 100/80=1.25 kg100/80 = 1.25\,\mathrm{kg}: imobilização de 3.75 kg3.75\,\mathrm{kg} por 100 kg100\,\mathrm{kg} de carbono. O trevo fornece 100/15=6.7 kg100/15 = 6.7\,\mathrm{kg}: mineralização de 1.7 kg1.7\,\mathrm{kg}.

Exercício 26.7 ★★

Um hectare de pastagem contém 2 t2\,\mathrm{t} de minhocas, cada uma das quais processa dez vezes sua massa em solo por ano. Calcule o solo que passa pelas minhocas por ano e o tempo para que os 20 cm20\,\mathrm{cm} superficiais (densidade aparente de 1.3 t/m31.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}) passem por elas uma vez. Compare com o número de Darwin.

Solução

Solução de Exercício 26.7.

20 t/ha20\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de solo por ano passam pelas minhocas. Os 20 cm20\,\mathrm{cm} superficiais pesam 0.2×104×1.3=2600 t/ha0.2\times 10^{4}\times 1.3 = 2600\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}: 130 anos para uma passagem. As dez toneladas por acre de Darwin são 25 t/ha25\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}, a mesma ordem de grandeza — seu “a cada poucos anos” referia-se à terra vegetal superficial, alguns centímetros, e não a toda a camada superficial.

Exercício 26.8 ★★

Um grama de solo contém 10910^{9} bactérias de massa 10−12 g10^{-12}\,\mathrm{g} cada, e 100 m100\,\mathrm{m} de hifas de diâmetro 4 µm4\,\text{µ}\mathrm{m} e densidade 1.1 g/cm31.1\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}. Calcule a biomassa bacteriana e fúngica por grama e por hectare (20 cm20\,\mathrm{cm} superficiais, 1.3 t/m31.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}).

Solução

Solução de Exercício 26.8.

Bactérias: 109×10−12=1 mg10^{9}\times 10^{-12} = 1\,\mathrm{mg} por grama. Hifas: volume π(2×10−4)2×104=1.26×10−3 cm3\pi(2\times 10^{-4})^{2}\times 10^{4} = 1.26 \times 10^{-3}\,\mathrm{cm}^{3}, massa de 1.4 mg1.4\,\mathrm{mg} por grama. Por hectare (2.6×1092.6\times 10^{9} g): 2.6 t2.6\,\mathrm{t} de bactérias e 3.6 t3.6\,\mathrm{t} de fungos.

Exercício 26.9 ★★

O húmus de um solo se decompõe com kh=0.02k_h = 0.02 por ano e recebe 1.5 t/ha1.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de carbono por ano. Calcule o carbono do húmus em estado estacionário. O campo é arado e khk_h dobra: calcule o novo estado estacionário, o carbono perdido e o tempo para perder metade dele.

Solução

Solução de Exercício 26.9.

H∗=1.5/0.02=75 t/haH^{*} = 1.5/0.02 = 75\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de carbono. Com aração: 1.5/0.04=37.5 t/ha1.5/0.04 = 37.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}; perda de 37.5 t/ha37.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}, metade dela após ln⁡2/0.04=17\ln 2/0.04 = 17 anos.

Exercício 26.10 ★★★

O fosfato se difunde no solo com D≈10−13 m2/sD \approx 10^{-13}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}. Calcule a distância que ele percorre numa estação de crescimento de 100100 dias (x≈2Dtx \approx \sqrt{2Dt}) e compare com o espaçamento das raízes (1 cm1\,\mathrm{cm}) e das hifas (0.1 mm0.1\,\mathrm{mm}). O que isso diz sobre por que as micorrizas importam para o fósforo, e menos para o nitrato (D≈10−10 m2/sD \approx 10^{-10}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s})?

Solução

Solução de Exercício 26.10.

Fosfato: 2×10−13×8.64×106=1.3 mm\sqrt{2\times 10^{-13}\times 8.64\times 10^{6}} = 1.3\,\mathrm{mm} numa estação — uma raiz a 1 cm1\,\mathrm{cm} da seguinte alcança um oitavo do solo entre elas, enquanto hifas a 0.1 mm0.1\,\mathrm{mm} umas das outras alcançam todo ele. Nitrato: 4 cm4\,\mathrm{cm}, mais que o espaçamento das raízes: ele chega à raiz por si mesmo (e por fluxo de massa com a água), de modo que as micorrizas acrescentam pouco para o nitrato e muito para o fosfato.

Exercício 26.11 ★★★

Uma encosta perde 20 t/ha20\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de solo por ano por erosão enquanto forma 1 t/ha1\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}; o horizonte A tem 25 cm25\,\mathrm{cm} de espessura, com 1.3 t/m31.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}, e contém 3 %3\,\% de carbono. Calcule a massa do horizonte A, seu tempo de vida nesse ritmo e o carbono perdido por ano. Sob plantio direto, a perda cai para 2 t/ha2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}: recalcule o tempo de vida.

Solução

Solução de Exercício 26.11.

Massa 0.25×104×1.3=3250 t/ha0.25\times 10^{4}\times 1.3 = 3250\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}. Perda líquida de 19 t/ha19\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} por ano: tempo de vida de 170 anos. Carbono perdido 20×0.03=0.6 t/ha20\times 0.03 = 0.6\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} por ano. Sob plantio direto, a perda líquida é de 1 t/ha1\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}: 3250 anos.

Exercício 26.12 ★★★

“O solo é o organismo mais lento da propriedade.” Discuta com os tempos de residência da serapilheira, do húmus, do solo mineral e do sal, e diga quais mudanças um agricultor pode ver ao longo de uma carreira e quais não.

Solução

Solução de Exercício 26.12.

A serapilheira se renova em um ou dois anos, o húmus em cinquenta, o horizonte A mineral em milhares (sua formação é de 0.1 mm0.1\,\mathrm{mm} por ano), e o sal se acumula em décadas e é drenado em décadas, se houver drenagem. Um agricultor vê a serapilheira e a cultura responderem em uma estação e o húmus ao longo de uma carreira (um declínio de um terço leva trinta anos; uma recuperação, o mesmo tanto); a erosão do solo mineral é invisível numa vida e irreversível em dez; o sal é visível numa geração e, sem drenagem, permanente. As variáveis lentas do solo são as que nenhuma contabilidade anual registra.

26.7 Problema: Um hectare de solo

Problema 26.1

Problema de fim de semana — um hectare de solo arável auditado: sua massa viva contada, sua serapilheira e seu húmus acompanhados por meio de seus balanços exponenciais, o nitrogênio liberado por um resíduo de leguminosa calculado em relação à necessidade de uma cultura, e os balanços de erosão e de carbono de dois sistemas de manejo comparados, terminando com o estoque de carbono do solo, seu tempo de vida sob aração e o nitrogênio que uma leguminosa fornece

O hectare: horizonte A de 25 cm25\,\mathrm{cm} de espessura, densidade aparente de 1.3 t/m31.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}, 2.5 %2.5\,\% de carbono orgânico; decomposição do húmus kh=0.025k_h = 0.025 por ano sob aração, 0.0150.015 sob plantio direto; entrada de carbono no húmus de 1.2 t/ha1.2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} por ano nos dois casos. Serapilheira: uma cultura de cobertura de trevo deixa 5 t/ha5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de matéria seca com 45 %45\,\% de carbono e 3 %3\,\% de nitrogênio, que se decompõe com k=2k = 2 por ano. Erosão: 15 t/ha15\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} por ano com aração, 1.5 t/ha1.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} com plantio direto; formação de 0.5 t/ha0.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}.

Parte I — O estoque.

  1. Calcule a massa do horizonte A e seu carbono orgânico.
  2. Calcule a massa de nitrogênio no húmus se sua C:N\mathrm{C:N} for 12.
  3. O solo contém 10910^{9} bactérias por grama, de 10−12 g10^{-12}\,\mathrm{g} cada, e 200 m200\,\mathrm{m} de hifas por grama, de 4 µm4\,\text{µ}\mathrm{m} de diâmetro e densidade 1.1. Calcule a biomassa microbiana por hectare.
  4. Acrescente 1.5 t/ha1.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de minhocas e 0.2 t/ha0.2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de outros animais, e dê a massa viva total por hectare. Que fração do carbono do húmus ela representa?
  5. Os micróbios renovam sua biomassa duas vezes por ano e respiram 60 %60\,\% do que comem. Estime o carbono que consomem por ano e o CO2\mathrm{CO_2} respirado.
  6. Compare com a produção primária líquida da cultura, de cerca de 5 t/ha5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de carbono, e comente.

Parte II — O resíduo de trevo.

  1. Calcule o carbono e o nitrogênio do resíduo e sua C:N\mathrm{C:N}.
  2. Com C:N=8\mathrm{C:N} = 8 nos micróbios e retenção de 0.40.4, o resíduo mineraliza ou imobiliza nitrogênio? Calcule o nitrogênio líquido liberado quando todo o resíduo se decompõe.
  3. Com k=2k = 2, que fração do resíduo se decompôs após 3 meses? E após um ano?
  4. Calcule o nitrogênio liberado nos primeiros 3 meses.
  5. Uma cultura de trigo absorve 150 kg150\,\mathrm{kg} de nitrogênio por hectare, a maior parte nos dois meses após a semeadura. Comente o momento.
  6. A mesma massa de palha de trigo (C:N=80\mathrm{C:N} = 80) é incorporada em seu lugar. Calcule o nitrogênio imobilizado e diga o que o agricultor deve fazer.

Parte III — O húmus.

  1. Calcule o carbono do húmus em estado estacionário sob aração e sob plantio direto.
  2. O campo, no estado estacionário sob aração, é convertido ao plantio direto. Escreva H(t)H(t) e calcule o carbono ganho após 10 e 50 anos.
  3. Calcule a taxa de ganho no primeiro ano, em toneladas de carbono por hectare e em toneladas de CO2\mathrm{CO_2}.
  4. Se os 1.5×109 ha1.5 \times 10^{9}\,\mathrm{ha} de terras cultivadas do mundo fizessem o mesmo, qual seria o sumidouro do primeiro ano, diante de emissões fósseis de 10 GtC10\,\mathrm{GtC}? E no quinquagésimo ano?
  5. Por que o sumidouro é temporário e reversível?
  6. Um aquecimento de 3 ∘C3\,{}^{\circ}\mathrm{C} eleva khk_h em um terço. Calcule o novo estado estacionário sob plantio direto e o carbono perdido.

Parte IV — A erosão.

  1. Calcule a perda líquida de solo por ano em cada sistema.
  2. Calcule o tempo de vida do horizonte A em cada um.
  3. Calcule o carbono e o nitrogênio levados por ano pela erosão sob aração.
  4. Compare a perda de carbono por erosão com a perda por decomposição do húmus no estado estacionário sob aração.
  5. O solo erodido é depositado a jusante. Seu carbono é perdido para a atmosfera? Discuta.
  6. Dê os tempos de residência da serapilheira, do húmus e do solo mineral neste hectare.
  7. Enuncie o resultado: o estoque de carbono do horizonte A, seu tempo de vida sob aração e sob plantio direto, e o nitrogênio que o resíduo de trevo fornece.
Solução

Solução de Problema 26.1.

1. 0.25×104×1.3=3250 t/ha0.25\times 10^{4}\times 1.3 = 3250\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}; carbono 81 t/ha81\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}. 2. 81/12=6.8 t/ha81/12 = 6.8\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de nitrogênio. 3. Bactérias 1 mg/g1\,\mathrm{mg}/\mathrm{g}, 3.25 t/ha3.25\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}; hifas π(2×10−4)2×2×104×1.1=2.8 mg/g\pi(2\times 10^{-4})^{2}\times 2\times 10^{4}\times 1.1 = 2.8\,\mathrm{mg}/\mathrm{g}, 9 t/ha9\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}: biomassa microbiana de cerca de 12 t/ha12\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}. 4. Cerca de 14 t/ha14\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de matéria viva (massa fresca), uns 17 %17\,\% do carbono do húmus — alguns por cento dele em carbono, pois os organismos são sobretudo água. 5. Carbono microbiano de cerca de metade de 12 t12\,\mathrm{t}, 6 t6\,\mathrm{t}; renovando-se duas vezes por ano com 40 %40\,\% retidos, os micróbios consomem 2×6/0.4=30 t2\times 6/0.4 = 30\,\mathrm{t} de carbono e respiram 18 t/ha18\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de carbono, 66 t66\,\mathrm{t} de CO2\mathrm{CO_2} (uma estimativa grosseira: a retenção e a renovação são aproximadas). 6. Três vezes a produção primária líquida da cultura, de 5 t5\,\mathrm{t}: a estimativa é alta demais, pois as hipóteses (toda a biomassa se renovando duas vezes, nada dela dormente) são generosas; a respiração real do solo sob uma cultura é da ordem da própria produção da cultura, várias toneladas de carbono por hectare por ano. O solo respira tanto quanto as plantas acima dele. 7. Carbono 5×0.45=2.25 t5\times 0.45 = 2.25\,\mathrm{t}; nitrogênio 5×0.03=150 kg5\times 0.03 = 150\,\mathrm{kg}; C:N=15\mathrm{C:N} = 15. 8. Mineraliza: os micróbios precisam de 2250×0.4/8=112 kg2250\times 0.4/8 = 112\,\mathrm{kg} de nitrogênio e o resíduo contém 150, de modo que 38 kg/ha38\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha} são liberados em termos líquidos. 9. 1−e−0.5=39 %1 - e^{-0.5} = 39\,\% após 3 meses; 1−e−2=86 %1 - e^{-2} = 86\,\% após um ano. 10. 0.39×38=15 kg/ha0.39\times 38 = 15\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha}. 11. A cultura precisa de 150 kg150\,\mathrm{kg}, a maior parte em seus dois primeiros meses; o resíduo dá 15 kg15\,\mathrm{kg} em três meses e 38 kg38\,\mathrm{kg} no total — um complemento, e não um suprimento. Seu valor está também no nitrogênio que o trevo fixou e que se encontra nos próprios 150 kg150\,\mathrm{kg} do resíduo, a maior parte dos quais entra no húmus e volta ao longo dos anos. 12. Palha: carbono 2250 kg2250\,\mathrm{kg}, nitrogênio 2250/80=28 kg2250/80 = 28\,\mathrm{kg}; os micróbios precisam de 112 kg112\,\mathrm{kg}, de modo que 84 kg/ha84\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha} são imobilizados a partir do solo — mais da metade da necessidade da cultura. O agricultor deve acrescentar nitrogênio com a palha, ou incorporá-la bem antes da semeadura, ou deixá-la na superfície, onde se decompõe lentamente. 13. Com aração: 1.2/0.025=48 t/ha1.2/0.025 = 48\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}; plantio direto: 1.2/0.015=80 t/ha1.2/0.015 = 80\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}. 14. H(t)=80−32 e−0.015tH(t) = 80 - 32\,e^{-0.015t}: ganho de 4.5 t/ha4.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} após 10 anos, 17 t/ha17\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} após 50. 15. dH/dt=0.015×32=0.48 t/ha\mathrm{d}H/\mathrm{d}t = 0.015\times 32 = 0.48\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} de carbono no primeiro ano, 1.8 t1.8\,\mathrm{t} de CO2\mathrm{CO_2}. 16. 0.48×1.5×109=0.7 GtC0.48\times 1.5\times 10^{9} = 0.7\,\mathrm{GtC} no primeiro ano, 7 %7\,\% das emissões fósseis; no quinquagésimo ano, a taxa caiu para 0.48 e−0.75=0.23 t/ha0.48\,e^{-0.75} = 0.23\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}, 0.34 GtC0.34\,\mathrm{GtC}. 17. O ganho é a aproximação de um novo estado estacionário: ele decai até zero à medida que HH chega a 80 t/ha80\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}, e todo o ganho volta ao ar em décadas se o campo for arado de novo — um sumidouro no solo é uma transferência única e reversível, e não uma compensação permanente de emissões contínuas. 18. kh=0.02k_h = 0.02: H∗=60 t/haH^{*} = 60\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}, uma perda de 20 t/ha20\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}, mais que o ganho dos primeiros cinquenta anos de plantio direto: o aquecimento pode desfazer o manejo. 19. Com aração: 15−0.5=14.5 t/ha15 - 0.5 = 14.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} por ano; plantio direto: 1 t/ha1\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}. 20. 3250/14.5=2203250/14.5 = 220 anos; 3250/1=32503250/1 = 3250 anos. 21. Carbono 15×0.025=0.38 t/ha15\times 0.025 = 0.38\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}; nitrogênio 0.38/12=31 kg/ha0.38/12 = 31\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha} por ano. 22. A decomposição do húmus no estado estacionário sob aração é khH∗=I=1.2 t/hak_hH^{*} = I = 1.2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} por ano; a erosão acrescenta mais um terço disso, mas, ao contrário da decomposição, não é compensada pela entrada — ela esgota o estoque. 23. Em parte. O carbono erodido enterrado num sedimento ou num reservatório pode ficar protegido da decomposição por muito tempo (um sumidouro por soterramento); mas os agregados se quebram no transporte, boa parte do carbono é oxidada no caminho, e a fertilidade perdida do campo é reposta por fertilizantes cuja fabricação emite carbono. O sinal global do efeito da erosão sobre o carbono ainda é debatido. 24. Serapilheira 1/k=0.51/k = 0.5 ano; húmus 1/kh=401/k_h = 40 anos sob aração e 67 sob plantio direto; solo mineral 3250/0.5=65003250/0.5 = 6500 anos em relação à formação, e 220 anos em relação à perda sob aração. 25. Estoque de carbono de 81 t/ha81\,\mathrm{t}/\mathrm{ha} no horizonte A; tempo de vida de 220 anos sob aração e 3250 sob plantio direto; o resíduo de trevo fornece cerca de 38 kg/ha38\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha} de nitrogênio mineral, 15 dos quais nos três primeiros meses.

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