ABSTRACT This review presents the basic research and some applications of the gamma-ray attenuation, neutron gauges, and 137Cs fallout techniques for studying soil physical processes and properties. The selected studies aimed to give the readers a general idea of the use of these nuclear techniques carried out by Brazilian researchers in the past decades. It is expected to assist future researchers by identifying knowledge gaps and opportunities for applying the methods presented here. Around 100 studies were selected for this review. The papers dealing with gamma-ray attenuation are mostly related to the analysis of soil radiation interactions, the measurement of basic soil physical properties, the evaluation of hydraulic conductivity, water retention curve, and soil mechanical analysis. Neutron gauge applications are related to monitoring the water distribution and balance at the field scale, procedures for calibrating the existing gauge for the Brazilian soils, and analyzing the spatial and temporal variability of the soil water content. The 137Cs methodology involves studies about the erosion and sediment deposition in small watersheds and riparian zones, the spatial variability of 137Cs inventories at reference sites, and the measurement of sediment spatial distributions. Future studies with the gamma-ray attenuation methodology should focus on a better comprehension of the photon interaction with the soil and a correct selection of photon energies to investigate contrasting soils. This is mandatory for adopting it as a reliable tool for soil characterization. This review also revealed that the challenges for the future use of the 137Cs fallout technique involve the continuous decrease of the 137Cs activity worldwide, including in Brazil. Advances in detection systems (gamma spectrometers) will be required to overcome this issue. Future studies should focus on the use of correction factors related to the enrichment of fine particles during the transport of sediments to improve the estimates obtained through the conversion models. The use of neutron gauges to detect soil water content at the field scale depends on the adoption of reliable calibration curves. Then, comprehending how soil properties alter this curve and how it affects the water balance is a study of great interest. Motivated by strict regulations on the use of radioactive materials, the adoption of gauges with less activity is becoming a new goal. Thus, the development of more effective systems of neutron detection is crucial.

Os aumentos na produção agrícola devem-se ao uso de tecnologias avançadas e expansão de novas fronteiras e ocorrem, em parte, pela substituição das áreas de pastagens e vegetação natural. Algumas dessas áreas estão situadas nas várzeas e, do ponto de vista ambiental, são de extrema importância, pois prestam-se à recarga e manutenção da água de rios e córregos das microbacias. Neste estudo avaliou-se a resistência mecânica à penetração de um Plintossolo Argilúvico sob plantio direto e Cerrado nativo. Em cada área coletaram-se 10 amostras deformadas nas camadas de 0-30 cm e 30-60 cm, para determinação da umidade do solo. A resistência do solo à penetração (RP) foi executada com penetrômetro de impacto, com amostragens aleatórias nas áreas (dez amostras em cada área): 1) Nativas - no topo dos murundus (M) e entre os murundus (EM); 2) Cultivadas - plantio direto implantado há 10 anos (PD10) anos e 15 anos (PD15), em duas épocas: antes do plantio (PD10A e PD15A) e depois do plantio na linha (PD10L e PD15L), e entrelinha (PD10E e PD15E) de plantio, em pontos em cada tratamento. Dos resultados obtidos, observou-se que a RP do solo é influenciada pela posição amostrada. A avaliação da RP mostrou relação com a textura, densidade do solo (Ds), umidade e matéria orgânica do solo. Os valores críticos de Ds e RP são válidos quando comparados aos de áreas de referência próximas, de classe textural e relevo similares. A RP associada a Ds, umidade e textura, é um indicador sensível de alterações da qualidade física do solo, causadas pelo uso. Nas condições deste trabalho, o sistema sob plantio direto não se mostrou eficiente para manter a qualidade física do solo.

Increases in agricultural production are due to the use of advanced technologies and expansion of new frontiers and occur by the substitution of pasture areas and natural vegetation. Some of these areas are located in the floodplains and environmental point of view, are of utmost importance because lend themselves to recharge and maintenance of rivers and streams of water catchments. In this study was evaluated the penetration resistance of Plinthosol Argilúvico under tillage and native savanna. In each area, 10 samples are collected deformed layers 0-30 cm and 30-60 cm to determine soil moisture. The resistance to penetration (RP) was performed with impact penetrometer with random sampling areas (ten samples in each area): 1) Native - on top of the mounds (M) and between the mounds (IN); 2) cultured - tillage implanted 10 years ago (PD10) years and 15 years (PD15), at two times : before planting (PD10A and PD15A) and after planting in the line (PD10L and PD15L), and leading (PD10E and PD15E ) planting in points for each treatment. Results showed that the RP soil is influenced by sampled position. The evaluation of the RP was related to the texture, bulk density (BD), and moisture and soil organic matter. The critical values of Ds and RP are valid when compared to nearby reference areas, textural class and similar relief. The RP associated with Ds, moisture and texture, is a sensitive indicator of changes in soil physical quality caused by use. Under the conditions of this study, the no-tillage system was not efficient to maintain soil physical quality.

A ausência de restrições climáticas para a produção biológica é a principal característica do bioma Amazônia, o que não se traduz em elevadas produtividades por sucessivos anos de cultivos quando a floresta é substituída por agroecossistemas. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito do manejo do solo nos atributos químicos e físicos do solo pela agricultura familiar, conduzida de forma primitiva. As maneiras de uso avaliadas foram: sistema agroflorestal, pastagem cultivada, roça de toco e mata preservada (usada como referência), todas em Neossolo Quartzarênico. Monólitos de terra foram coletados nas camadas de 0-5, 5-10, 10-20 e 20-40 cm em dois anos agrícolas consecutivos (2010/2011 e 2011/2012) nos meses de julho e janeiro coletando-se sete repetições por sistema. Os atributos do solo avaliados foram: grau de floculação, agregados maior que 2 mm, matéria orgânica, acidez, bases trocáveis, teores de fósforo, saturação por bases, alumínio e capacidade de troca de cátions. Os resultados apontam que 22 anos após a conversão da floresta em agroecossistemas ainda é possível verificar melhores indicadores nos sistemas manejados.

The absence of environmental constraints to organic production is the main characteristic of the Amazon, which does not translate into high yields of crops for several successive years when the forest is replaced by agroecosystems. The objective of this study was to evaluate the effect of soil management on the chemical and physical properties of soil by family agriculture, conducted in primitive way. The evaluated forms of use were: agroforestry system, pasture, slash-and-burn agriculture and preserved forest (used as reference), all under Entisol Quartzipsamment. Soil monoliths were collected at 0-5, 5-10, 10-20 and 20-40 cm during two consecutive years (2010/2011 and 2011/2012) in July and January, collecting seven replicates per system. The evaluated soil attributes were: flocculation, aggregates larger than 2 mm, organic matter, acidity, exchangeable cations, phosphorus, base saturation, aluminum and cation exchange capacity. The results indicate that 22 years after the conversion of forest into agricultural ecosystems it is still possible to see the best indicators in managed systems.

O objetivo deste trabalho foi estabelecer sequências de dias chuvosos como fator de risco à colheita no Estado de Goiás. Para isso, foram utilizadas séries históricas pluviométricas, com período de base de, no mínimo, 17 anos referentes a 36 estações pluviométricas localizadas neste Estado. As sequências de dias chuvosos foram separadas por uma rotina computacional para os meses de dezembro, janeiro, fevereiro e março. Para o estudo de probabilidade destas sequências, utilizou-se a Distribuição Binominal Negativa Truncada (DBNT). A aderência da distribuição às sequências de dias chuvosos foi verificada, utilizando-se do teste de Qui-quadrado (χ²). Os resultados foram espacializados, de modo a facilitar a visualização da distribuição espacial das sequências de dias chuvosos para os meses estudados. Verificou-se que o risco de chuva na colheita varia localmente. As maiores probabilidades de ocorrência de sequências com dois dias chuvosos ocorreram nas regiões centro, sudoeste e sul, e três dias na região central e entorno. Ocorrência de sequências com quatro dias chuvosos ou mais apresentou baixa probabilidade.

The objective of this study was to establish sequences of rainy days as a risk factor for agriculture in the southeast region of the states of Goias, Brazil. Rain gauge data from 36 rain stations were used. The sequences of rainy days were calculated by a computational routine for December, January, February and March. The probability of sequences was estimated by using the TNBD (Truncated Negative Binomial Distribution) and was verified by Chi-square distribution. The result were regionalized obtaining figures related to sequences of rainy days for the months studied. Results showed that the risk of rain sequences varies locally. Higher probability for occurrence of two rainy days occurred in the center, southwest and south of the analyzed region, and 3 days in the central region and surroundings. There was low probability for occurrence of 4 or more rainy days.

A substituição das florestas nativas por agrossistemas provoca mudanças na estrutura do solo. O grau dessas alterações depende da intensidade do uso e do manejo do solo, condições climáticas locais e propriedades físicas e químicas do solo. O objetivo deste estudo foi avaliar a densidade do solo, resistência do solo à penetração e a matéria orgânica de um Neossolo Quartzarênico órtico em quatro sistemas de manejo: floresta nativa, agrofloresta, pasto e outra área recentemente convertida para uso agrícola. Em cada sistema avaliado sete perfis de solo foram coletados em julho de 2010 e Janeiro de 2011. A resistência do solo foi determinada com um penetrômetro de impacto, modelo Planasucar Stolf IAA, de 00-40 cm de profundidade. O teor de água do solo foi determinado de 00-20 e 20-40 cm de profundidade. A matéria orgânica e a densidade do solo foram determinadas de 00-05; 05-10; 10-20 e 20-40 cm. Entre os sistemas avaliados os menores valores de densidade e resistência do solo foram encontrados na agrofloresta e os maiores obtidos no pasto. Os resultados obtidos na área com uso agrícola de apenas um ano, foram semelhantes aos obtidos em mata nativa.

The replacement of native forests for agrosystems causes changes in soil structure. The degree of these changes depends on the intensity of use and soil management, climatic conditions and soil physical and chemical properties. The aim of this study was to evaluate the soil bulk density (Bd), soil resistance to penetration and organic matter content of an Ortic Quartzarenic Neosol under four land use systems: native forest, agroforestry, pasture and other area recently converted to agricultural use. In each system seven soil profiles were selected and samples were collected in July 2010 and January 2011. The soil resistance to penetration was determined in 0-40 cm depth using an impact penetrometer, Planasucar Stolf IAA model. The water content in the soil layers was determined in 0-20 and 20-40 cm depth. The organic matter and soil bulk density were deternied in layers 0-5, 5-10, 10-20 and 20-40 cm. Among the evaluated systems, the lowest values of soil bulk density and soil resistance to penetration were found in agroforestry and the highest values were obtained in the pasture. In the area recently converted to agricultural use the results obtained were similar to those obtained under native forest.

O objetivo do estudo foi avaliar a retenção de sedimentos por meio da caracterização morfológica e físico-química de um Latossolo Vermelho distrófico ao longo de uma transeção de 204 m demarcada no sentido do declive, iniciada no meio da encosta cultivada com algodão em sistema de preparo convencional e finalizada no interior da mata ciliar localizada a jusante da área cultivada em Panamá, GO. Todas as amostras de solo foram coletadas ao longo da transeção em camadas de 0-5, 5-10 e 10-20 cm. Na mata ciliar foram abertas quatro trincheiras para avaliação morfológica dos perfis de solo. A descrição morfológica das duas primeiras trincheiras abertas na entrada da mata indicou a presença de camadas de material não pedogenizado sobre o horizonte A, proveniente de sedimentos carreados da lavoura para a mata ciliar por processos erosivos. A interpretação das avaliações morfológicas dos perfis, associada aos resultados de análises do solo, revela que o cultivo intensivo altera os atributos físicos e químicos, especialmente a agregação e os teores de matéria orgânica e Ca.

This study aimed to assess the efficiency of a riparian forest to retain runoff sediments from cropped areas by means of morphological and physico-chemical characterization of a Typic Haplustox Cerrado soil along a 204 m transect. All soil samples were collected from layers of 0-5, 5-10 and 10-20 cm on the cropped areas, ending on a riparian forest. The studied areas were cropped with cotton under conventional tillage system. For the morphological descriptions of soil profiles in the riparian forest, four trenches were opened. The first two descriptions done at the entrance of the forest showed the presence of non-pedogenic material over the A horizon, originated from sediments dragged off the cropped areas to the forest through erosive processes. Morphological assessment of soil profiles associated to soil analysis shows that intensive cropping changes physical and chemical attributes, especially aggregation indices, as well as organic matter and Ca contents.

A falta de um sistema adequado para drenagem de águas pluviais em estradas não pavimentadas é um dos principais fatores que causam a sua degradação e, para que referidos sistemas possam ser adequadamente planejados e dimensionados é necessário o conhecimento de parâmetros de resistência dos solos. Com este trabalho se teve, por objetivo, determinar a erodibilidade e a tensão crítica de cisalhamento para diferentes solos de estradas não pavimentadas. Utilizou-se um simulador de escoamento superficial instalado diretamente nos canais das estradas, sob condição natural e se determinou a perda de solo para diferentes lâminas de escoamento. A erodibilidade e a tensão crítica de cisalhamento foram determinadas por meio do ajuste de curvas relacionando-se a perda de solo em função da tensão cisalhante provocada pelo escoamento. Os resultados alcançados mostraram variações nos valores de erodibilidade e de tensão crítica de cisalhamento das estradas avaliadas. Os valores de erodibilidade encontrados mostraram, quando comparados com valores observados na literatura, elevada suscetibilidade à erosão para as condições de estradas, sendo mais elevados nos solos de textura mais arenosa e siltosa. Os valores de tensão crítica se mostraram bastante próximos aos observados em outros trabalhos.

The absence of an adequate drainage system in unpaved roads is one of the main factors for their degradation. For adequate planning knowledge of the resistance parameters of soil is necessary. This study had as its objective the determinatiom of the erodibility and critical shear stress of unpaved road soils. For this work, a runoff simulator was directly installed on road channels, under natural conditions. Different flow depths were applied and the soil loss was measured for each depth. The erodibility and the critical shear stress were determined through adjusted curves relating soil disaggregation and flow shear stress. The results showed variations in erodibility and in critical shear stress values of the roads. The erodibility values obtained, when compared with values observed in the literature, evidenced high susceptibility to the erosion for road conditions. These values were higher on silt loam and sandy soils. The critical shear stress values were similar to those observed in other publications.

As matas ciliares podem fornecer serviços importantes para os ecossistemas aquáticos sequestrando sedimentos oriundos das áreas de encostas. No entanto, a largura da zona ripária necessária para a retenção de sedimentos ainda não está bem determinada. Aqui são usadas duas técnicas complementares para medir a retenção de sedimentos. As metodologias do137Cs e da composição isotópica do carbono (δ13C) são utilizadas para avaliar a deposição de sedimentos e taxas de erosão em uma encosta cultivada com cana-de-açúcar seguida poruma mata ciliar situada em Iracemápolis, no Estado de São Paulo, Brasil. As análises pelas técnicas do 137Cs e δ13C mostraram que a largura da mata ciliar definida pela Lei Ambiental Brasileira (Nº4.771/65) não foi suficiente na retenção de sedimentos oriundos de áreas cultivadas, mas indicou a importância destas florestas como medida de conservação de bacias hidrográficas. A análise complementar de δ13C junto com informações morfológicas do solo permitiu melhor interpretação da redistribuição de sedimentos ao longo das áreas de cana-de-açúcar e mata ciliar.

Riparian forests can provide an important service for aquatic ecosystems by sequestering hillslopederived sediments. However, the width of a riparian buffer zone required to filter sediments is not yet wellunderstood. Here are used two complementary tracers to measure sediment retention. The 137Cs technique and the soil carbon isotopic ratios (δ13C) are utilized to investigate sediment deposition and erosion rates on a slope transect cultivated with sugarcane followed by a secondary riparian forest zone in Iracemápolis, State of São Paulo, Brazil. The 137Cs technique and the δ13C analysis showed that the width of a riparian vegetation in accordance to a Brazilian Environmental Law (Nº4.771/65) was not sufficient in trapping sediments coming from agricultural lands, but indicated the importance of these forests as a conservation measure at the watershed scale. The complementary δ13C analysis together with soil morphology aspects allowed a better interpretation of the sediment redistribution along the sugarcane and riparian forest transects.

As pastagens normalmente são associadas a menores problemas causados pela erosão devido ao fato de serem eficientes coberturas do solo, controlando bem as erosões em sulco e entre-sulcos. Mas, considerando a freqüência da renovação das pastagens cultivadas no Brasil e sua grande extensão territorial (178 milhões de hectares) é possível identificar que áreas expressivas, usualmente cobertas por pastagens, permanecerão descobertas e serão intensivamente preparadas sem nenhuma prática complementar de controle da erosão. Esta área equivale ao mesmo montante da área ocupada pelas principais culturas anuais (soja e milho) que são normalmente cultivadas em plantio direto ou suportadas por programas governamentais de conservação. A precisa avaliação desses impactos, causados pelos 10 milhões de hectares de pastagens em renovação anualmente, não é conhecida havendo grande carência de conhecimentos científicos para sugerir uma solução adequada. Este é, provavelmente, o grande desafio da conservação do solo no Brasil e necessitará, para adequada resolução, de um esforço conjunto de pesquisadores, técnicos, educadores e extensionistas.

Pastures are normally associated with minor erosion problems because of their efficient soil cover. Soil cover is without doubt the most effective inter-rill and rill erosion control practice. However, considering the frequency at which pastures are replanted in Brazil and their enormous territorial extension (178 million hectares) we identify that extensive areas, usually covered by pastures, will remain bare, intensively tilled, and without complementary mechanical soil control practices. The pasture area is equivalent to that occupied by most important Brazilian annual crops (corn or soybeans), that are usually cultivated under no-tillage or supported by governmental soil conservation programs. The precise assessment of these impacts, caused by the estimated 10 million hectares of the yearly replanted pastures is unknown, and there is lack of scientific knowledge to suggest an adequate solution. This is, probably, the greatest challenge of Brazilian soil conservation and for an adequate resolution, will require a joint effort of researchers, technicians, educators and stakeholders.

A precisão da técnica de análise da redistribuição do "fallout" do 137Cs nas avaliações das taxas de erosão são fortemente dependentes da qualidade de um inventário médio tomado em uma área de referência representativa. O conhecimento das fontes e do grau de variação da distribuição do "fallout" do 137Cs desempenham um importante papel na aplicação desta técnica. Quatro áreas de referência foram selecionadas na região Sudeste do Brasil, sendo estas caracterizadas quanto aos aspectos físicos, químicos, mineralógicos do solo, assim como a variabilidade espacial dos inventários de 137Cs. Houve algumas diferenças importantes no padrão da distribuição do 137Cs em profundidade nos perfis de solo dos diferentes locais que, provavelmente, estão associadas às diferenças químicas, físicas, mineralógicas e biológicas dos solos estudados. Mas muitas questões ainda permanecem abertas para futuras investigações, principalmente em relação à adsorção e à dinâmica do 137Cs no perfil dos solos tropicais. A variabilidade espacial randômica (dentro de cada local de referência) foi maior do que a variabilidade espacial sistemática (entre áreas de referência), porém as causas disto não foram claramente identificadas, talvez em conseqüência da variabilidade química, física e/ou mineralógica bem como da precipitação.

The precision of the 137Cs fallout redistribution technique for the evaluation of soil erosion rates is strongly dependent on the quality of an average inventory taken at a representative reference site. The knowledge of the sources and of the degree of variation of the 137Cs fallout spatial distribution plays an important role on its use. Four reference sites were selected in the South-Central region of Brazil which were characterized in terms of soil chemical, physical and mineralogical aspects as well as the spatial variability of 137Cs inventories. Some important differences in the patterns of 137Cs depth distribution in the soil profiles of the different sites were found. They are probably associated to chemical, physical, mineralogical and biological differences of the soils but many questions still remain open for future investigation, mainly those regarding the adsorption and dynamics of the 137Cs ions in soil profiles under tropical conditions. The random spatial variability (inside each reference site) was higher than the systematic spatial variability (between reference sites) but their causes were not clearly identified as possible consequences of chemical, physical, mineralogical variability, and/or precipitation.

Compaction processes can influence soil physical properties such as soil density, porosity, pore size distribution, and processes like soil water and nutrient movements, root system distribution, and others. Soil porosity modification has important consequences like alterations in results of soil water retention curves. These alterations may cause differences in soil water storage calculations and matric potential values, which are utilized in irrigation management systems. Because of this, soil-sampling techniques should avoid alterations of sample structure. In this work soil sample compaction caused by core sampling devices was investigated using the gamma ray computed tomography technique. A first generation tomograph with fixed source-detector arrangement and translation/rotational movements of the sample was utilized to obtain the images. The radioactive source is 241Am, with an activity of 3.7 GBq, and the detector consists of a 3 in. x 3in. NaI(Tl) scintillation crystal coupled to a photomultiplier tube. Soil samples were taken from an experimental field utilizing cylinders 4.0 cm high and 2.6 cm in diameter. Based on image analyses it was possible to detect compacted regions in all samples next to the cylinder wall due to the sampling system. Tomographic unit profiles of the sample permitted to identify higher values of soil density for deeper regions of the sample, and it was possible to determine the average densities and thickness of these layers. Tomographic analyses showed to be a very useful tool for soil compaction characterization and presented many advantages in relation to traditional methods.