ABSTRACT Biochar derived from coffee waste has been reported as a promising material for heavy metal sorption. However, if the intended use is environmental remediation, knowing the extent to which desorption may occur is critical. Thus, the objective of this work was to evaluate the efficiency of spent coffee ground (SCG) and coffee parchment (CP) biochars pyrolyzed at 700 °C under laboratory conditions, in the sorption of Cd and Pb from aqueous solutions, in a pH range from 2 to 10, and their retention after an induced desorption process with a 2.9 pH acetic acid solution. Both biochars were alkaline, and the initial pH of the solution had a large effect on the sorption capacity of SCG but a small effect on the sorption capacity of CP. The Pb sorption capacity was higher for CP (18.6 mg·g–1) than for SCG (11.4 mg·g–1), while both biochars had low Cd retention capacities (1.18 mg·g–1). Coffee parchment also showed the highest Pb retention (30% to 87%), while for Cd there was no difference between CP and SCG biochars. Our results showed that metal precipitation was the main mechanism for metal immobilization and CP biochar proved to be more reliable than SCG, mainly for Pb, due to its higher sorption capacity and lower metal release by desorption than SCG. These characteristics are particularly important for the use of biochar in environmental remediation. Besides that, the biochar production represents an eco-friendly destination for these feedstocks, contributing to the circular economy.

RESUMO O uso de fertilizantes com alguma proteção aos íons fosfato pode diminuir sua adsorção pelo solo e aumentar a absorção pela cultura, o que aumenta a eficiência da adubação. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho de um fertilizante fosfatado associado a biocarvão em um solo com alta capacidade de fixação de P. Os biocarvões foram produzidos a partir de duas fontes de biomassa: bagaço de cana-de-açúcar (BC) e serragem de madeira (SM), as quais foram pirolisadas em duas temperaturas (350 °C e 700 °C). Após a caracterização química e física, os biocarvões foram granulados com superfosfato triplo (TSP) em uma proporção 3:1 (TSP: biocarvão). A avaliação agronômica dos fertilizantes foi realizada por dois cultivos sucessivos de milho (Zea mays L.) em casa de vegetação em Latossolo argiloso em esquema fatorial (5x3) em delineamento de blocos inteiramente casualizados com 4 repetições. Os tratamentos consistiram de cinco fertilizantes (TSP-SM350, TSP-SM700, TSP-BC350, TSP-BC700 and TSP) e três doses de P (100, 200 e 400 mg dm-³ de P). Foram avaliados a produção de massa de matéria seca, acúmulo de P no milho, além do P disponível no solo após os cultivos. A produção de matéria seca, conteúdo de P na planta e P disponível no solo apresentou resultados superiores em ambos os cultivos na dose de 400 mg dm-3, já a taxa de recuperação aumentou de forma inversa em relação as doses. A simples associação de biocarvão com fertilizante fosfatado solúvel não aumentou a eficiência de uso de P pelo milho, mas aumentou o P disponível no solo após dois cultivos sucessivos.

ABSTRACT The use of fertilizers with some degree of protection of the phosphate ions can reduce soil adsorption and increase the absorption by plants, increasing the efficiency of phosphorus (P) fertilization. This study aimed to evaluate the performance of a phosphate fertilizer associated with biochar in granules in a P-fixing soil in a greenhouse experiment. Biochars were produced from two sources of biomass: sugarcane bagasse (SB) and wood sawdust (WS), which were pyrolysed at two temperatures (350 °C and 700 °C). After chemical and physical characterization, the biochar samples were granulated with triple superphosphate (TSP) in a 3:1 ratio (TSP: biochar). The agronomic evaluation of the fertilizers was carried out by two successive maize crops (Zea mays L.) in the greenhouse, using a factorial scheme of (5x3) in randomized block design with four replicates. The treatments consisted of five fertilizers (TSP-WS350, TSP-WS700, TSP-SB350, TSP-SB700, and TSP) and three P doses (100, 200, and 400 mg dm-3). It was evaluated the dry matter production, P uptake in maize and P available in the soil after cultivation. The results indicate that dry matter production, considering the P uptake by the plant and the P available in the soil when using a dose of 400 mg dm-3, presented higher results in both crop cycles and the recovery rate in both cultivations occurred inversely to the P doses. The simple association of biochar with soluble phosphate fertilizer did not increase the efficiency of P use by maize, but it increased available P in soil.

RESUMO O biocarvão, produto da pirólise de resíduos orgânicos, vem sendo utilizado como condicionador de solo e como alternativa na gestão de resíduos sólidos. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da temperatura de pirólise nas propriedades químicas, físicas, mineralógicas e a extração ácida de metais em biocarvões produzidos a partir de resíduos de bagaço da cana-de-açúcar, eucalipto e lodo de esgoto. Foram avaliados os teores de C, H, N, O; cinzas; macro e micronutrientes, além de alguns contaminantes; relações molares O/C e H/C; difratometria de raios X; grupos funcionais por FTIR. Além disso, foi determinada a liberação de nutrientes e contaminantes pela extração em concentrações crescentes de HNO3 (0,01-2,0 mol L-1). As relações O/C e H/C diminuíram com o aumento da temperatura de pirólise, o que caracteriza uma maior estabilidade do C dos biocarvões. O biocarvão de lodo de esgoto (BC-L) apresentou as maiores taxas de liberação de nutrientes e metais contaminantes (Cd, Cr, Ni e Pb). A extração ácida dos demais biocarvões foi muito baixa (< 20% do teor total). Os resultados indicam que a fração carbonosa do biocarvão contribui para a baixa taxa de liberação dos elementos em meio ácido.

ABSTRACT The biochar, product of pyrolysis of organic waste, has been used as a soil conditioner and alternative on solid waste management. However, the raw material and pyrolysis temperature used influence the quantity and dynamics of release of nutrients and contaminants from the biochar. The objective was to evaluate the use of waste sugarcane bagasse, eucalyptus and sewage sludge for production of biochar and determine the chemical, physical, mineralogical properties and acid extraction of these materials produced at 350 °C and 500 °C. Were evaluated the proportion of C, H, N, O; ashes; macro and micronutrients, plus some contaminants; characterization of mineral phases by diffractometry of X- rays; functional groups by infrared absorption spectroscopy (FTIR). Moreover, it was determined the release of nutrients and contaminants for the extraction in increasing concentration of HNO3 (0,01 - 2,0 mol L-1). The O/C and H/C relations decreased with increasing temperature of pyrolysis, which define a greater stability of the C of biochars. Sewage sludge biochar (BC-L) had the highest nutrient release rates and contaminant metals (Cd, Cr, Ni and Pb). Acid extraction of other biochars was very low (<20% of the total content). The results indicate that the carbon fraction of biochar contributes to the low rate of release of the elements in acid place.

O extrator Mehlich-1 (M-1), assim como o Fosfato Monocálcico em ácido acético (FMCa), tem na acidez e na troca de ligantes - seja do sulfato do extrator pelo fosfato do solo ou do fosfato do extrator pelo sulfato do solo - os mecanismos de extração do P e do S disponíveis. Em solos argilosos, com maior poder de adsorção de P, ou menor valor de P-remanescente (P-rem), o que corresponde a solos com maior Poder-Tampão de Fosfato (PTF), mais tamponados para a acidez, o pH inicialmente baixo dos extratores é, durante o seu contato com o solo, aumentado em direção àquele do solo, e o sulfato do M-1 ou o fosfato do FMCa é adsorvido por sítios de adsorção ocupados ou não por esses ânions. Tal fato faz com que o extrator perca seu poder de extração, fenômeno conhecido como desgaste de extrator, objetivo de estudo deste trabalho. Escolheram-se 20 amostras de solos, de modo a cobrir a faixa do P-rem (0 a 60 mg L-1). Como medida do PTF, foi utilizado o P-rem. Os teores de P e de S disponíveis das amostras dos solos pelo M-1 e FMCa, de demais nutrientes e de matéria orgânica (MO) foram determinados. Para a determinação do desgaste dos extratores, após o período de repouso, foram medidos o pH e os teores de P e de S em ambos os extratos-solos. Houve efeito pouco expressivo, embora significativo, do desgaste da acidez dos extratores M-1 e FMCa com a diminuição do valor de P-rem. Observou-se para o M-1 um modelo linear plateau para desgaste descontínuo do teor do P, com a diminuição da concentração do P-rem ou aumento do PTF, sugerindo que se deve adotar um modelo também descontínuo para a interpretação do P-disponível de solos com diferentes valores de P-rem. Entretanto, observou-se resposta linear-contínua entre as variáveis P no extrato-solo e P-rem para o extrator FMCa, o que evidenciou desgaste crescente desse extrator com o aumento do PTF do solo, indicando a validade da relação linear entre o S disponível do solo e o PTF, estimado pelo P-rem, como atualmente adotada.

The Mehlich-1 (M-1) extractant and Monocalcium Phosphate in acetic acid (MCPa) have mechanisms for extraction of available P and S in acidity and in ligand exchange, whether of the sulfate of the extractant by the phosphate of the soil, or of the phosphate of the extractant by the sulfate of the soil. In clayey soils, with greater P adsorption capacity, or lower remaining P (Rem-P) value, which corresponds to soils with greater Phosphate Buffer Capacity (PBC), more buffered for acidity, the initially low pH of the extractants increases over their time of contact with the soil in the direction of the pH of the soil; and the sulfate of the M-1 or the phosphate of the MCPa is adsorbed by adsorption sites occupied by these anions or not. This situation makes the extractant lose its extraction capacity, a phenomenon known as loss of extraction capacity or consumption of the extractant, the object of this study. Twenty soil samples were chosen so as to cover the range of Rem-P (0 to 60 mg L-1). Rem-P was used as a measure of the PBC. The P and S contents available from the soil samples through M-1 and MCPa, and the contents of other nutrients and of organic matter were determined. For determination of loss of extraction capacity, after the rest period, the pH and the P and S contents were measured in both the extracts-soils. Although significant, the loss of extraction capacity of the acidity of the M-1 and MCPa extractants with reduction in the Rem-P value did not have a very expressive effect. A “linear plateau” model was observed for the M-1 for discontinuous loss of extraction capacity of the P content in accordance with reduction in the concentration of the Rem-P or increase in the PBC, suggesting that a discontinuous model should also be adopted for interpretation of available P of soils with different Rem-P values. In contrast, a continuous linear response was observed between the P variables in the extract-soil and Rem-P for the MCPa extractor, which shows increasing loss of extraction capacity of this extractor with an increase in the PBC of the soil, indicating the validity of the linear relationship between the available S of the soil and the PBC, estimated by Rem-P, as currently adopted.

Fitotoxicidade e transferência de elementos potencialmente tóxicos como o cádmio (Cd) ou bário (Ba) dependem da disponibilidade desses elementos nos solos e das espécies de plantas expostas a esses. Objetivaram-se, neste trabalho, avaliar o efeito de doses de Cd e Ba na produção de ervilha (Pisum sativum L. ), sorgo (Sorghum bicolor L. ), soja (Glycine max L. ) e milho (Zea mays L.), cultivados em casa de vegetação num Latossolo Vermelho distrófico e num Neossolo Quartzarênico com atributos físicos e químicos contrastantes; e correlacionar a quantidade absorvida pelas plantas com extratores comumente utilizados na análise de solo, além dos coeficientes de transferência (fator de bioconcentração e fator de transferência) de diferentes partes das plantas. As plantas foram colhidas na fase de floração e medidas a produtividade e as concentrações de Cd ou Ba em folhas, caules e raízes. O Cd foi avaliado satisfatoriamente tanto pelo DTPA quanto pelo Mehlich-3 (M-3), em relação à quantidade de Cd acumulado nas plantas. O M-3 não se relacionou com Ba acumulado nas plantas, sugerindo que ele não deve ser usado para prever a disponibilidade de Ba. Os coeficientes de transferência foram específicos para solos e plantas e, portanto, não são recomendados para uso direto em modelos de avaliação de risco, sem considerar as características do solo e do grupo de plantas.

Phytotoxicity and transfer of potentially toxic elements, such as cadmium (Cd) or barium (Ba), depend on the availability of these elements in soils and on the plant species exposed to them. With this study, we aimed to evaluate the effect of Cd and Ba application rates on yields of pea (Pisum sativum L.), sorghum (Sorghum bicolor L.), soybean (Glycine max L.), and maize (Zea mays L.) grown under greenhouse conditions in an Oxisol and an Entisol with contrasting physical and chemical properties, and to correlate the amount taken up by plants with extractants commonly used in routine soil analysis, along with transfer coefficients (Bioconcentration Factor and Transfer Factor) in different parts of the plants. Plants were harvested at flowering stage and measured for yield and Cd or Ba concentrations in leaves, stems, and roots. The amount of Cd accumulated in the plants was satisfactorily evaluated by both DTPA and Mehlich-3 (M-3). Mehlich-3 did not relate to Ba accumulated in plants, suggesting it should not be used to predict Ba availability. The transfer coefficients were specific to soils and plants and are therefore not recommended for direct use in risk assessment models without taking soil properties and group of plants into account.

A densidade de plantio e o arranjo das plantas exercem influência sobre a produção de resíduos vegetais nos agroecossistemas cafeeiros. Esse aporte diferenciado de resíduos regula os teores de C e N do solo. Este trabalho objetivou avaliar os teores de C orgânico e de N total em um Latossolo Vermelho distrófico cultivado com cafeeiro com diversos espaçamentos de plantio. O experimento foi conduzido no período de 1992 a 2004 na Fazenda Experimental da EPAMIG, em Machado (MG). Os tratamentos avaliados consistiram da combinação de quatro espaçamentos entre linhas (2,0; 2,5; 3,0; e 3,5 m), três espaçamentos entre plantas (0,5; 0,75; e 1,0 m) e dois sistemas de manejo dos resíduos culturais (entrelinha - EL e projeção da copa - PC), totalizando 24 tratamentos, dispostos no campo em blocos ao acaso, em esquema fatorial 4 x 3 x 2, com três repetições. Foram avaliados os teores de C orgânico (CO) e de N total do solo (NT), além da relação CO/NT. Nas amostras de solo da EL, os teores de CO e NT foram maiores do que os da PC. O espaçamento de plantio influenciou os teores de CO, com os maiores valores, em geral, no espaçamento de 3,5 m entre as linhas de plantio, quando a distância entre plantas foi de 0,5 e 0,75 m, na profundidade de 0-0,05 m. O maior acúmulo de resíduos vegetais, o menor revolvimento do solo e, conseqüentemente, os maiores teores de matéria orgânica favorecem a ocorrência de maiores teores de CO e NT na EL. A retirada da mata e o cultivo do solo com cafeeiro por 11 anos resultou em decréscimo nos teores de CO de 26 % a 38 % na EL e na PC, respectivamente, e diminuição média de 25 % nos teores de NT.

The density and arrangement of trees influences the production of plant residues in coffee agroecosystems. This differentiated input of biomass regulates the contents of soil-C and -N. This study aimed to evaluate the contents of organic C and total N in a Typic Hapludox, in different spacings of (Coffea arabica L.) trees and tree rows. The experiment was carried out from 1992 to 2004 on an experimental farm of EPAMIG, in Machado (Minas Gerais State, Brazil). The treatments consisted of the combination of four distances between tree rows (2.0; 2.5; 3.0 and 3.5 m), three in-row distances (0.5; 0.75 and 1.0 m) and two management systems of crop residues (interline - IL and canopy projection - CP), totaling 24 treatments, arranged randomly in the field in blocks, in 4x3x2 factorial design, with three replications. The soil organic carbon (OC) and total nitrogen (TN) contents were measured, apart from the OC/TN ratio. In samples collected in IL, the OC and TN contents were higher than those measured in CP. The cropping spacing influenced the OC contents; highest values were verified when distance between rows was 3.5 m and in-row distances 0.75 and 0.5 m, in the 0-0.05 m layer. Higher accumulation of plant residues, low soil disruption, and, consequently, higher contents of organic matter favors more OC and TN in the IL. Deforestation and coffee cropping for 11 years resulted in decreasing OC contents from 26 % to 38 %, in IL and CP, respectively, and an average reduction of 25 % for TN.

Vários fatores controlam a velocidade de decomposição e a liberação de nutrientes por resíduos orgânicos. Dentre esses fatores, destacam-se o grau de humificação e a natureza química dos resíduos. Com este trabalho, objetivou-se caracterizar a matriz orgânica de amostras de lodo de esgoto, estercos de galinha, suíno, codorna e bovino, além de composto, substrato orgânico e material húmico comerciais. Analisaram-se o pH, condutividade elétrica (CE), capacidade de troca de cátions (CTC), capacidade de retenção de água (CRA), teores de N total e N-mineral, matéria orgânica, carbono orgânico total (COT) e as frações de COT: C-fração ácido húmico (C-FAH), C-fração ácido fúlvico (C-FAF), C solúvel em água (CSA), C lábil e teor e diversidade de ácidos orgânicos de baixa massa molar (AOBMM). Quanto maior o teor de C-fração ácido húmico, mais elevada é a capacidade de adsorver cátions dos resíduos orgânicos. Considerando-se o índice de humificação (IH), a razão de humificação (RH) e a CTC, e seus respectivos valores críticos (19 %, 28 % e 67 cmol c kg-1) para separar materiais decompostos daqueles suscetíveis à decomposição, os estercos de suíno, bovino, galinha e codorna, a amostra de composto e o lodo de esgoto 1 podem ser classificados como resíduos ainda não completamente humificados. O C lábil não foi adequado para predizer a biodisponibilidade dos resíduos avaliados. Os estercos de galinha e de codorna foram os materiais mais ricos em ácidos orgânicos de baixa massa molar.

The humification degree and the chemical nature of organic residues are essential factors controlling their degradation and nutrient release. To characterize the organic matrix, samples of sewage sludge, poultry, pig, cattle and quail manure, besides commercial compost, organic substrate and humic material were analyzed for: pH, electric conductivity, cation exchange capacity (CEC), water retention capacity, concentration of total N and mineral N, organic matter, total organic carbon (TOC) and the TOC fractions: humic acid C-fraction; fulvic acid C-fraction, water soluble C, labile-C and concentration and diversity of low mass molecular organic acids. The higher the humic acid C-fraction content, the greater was the CEC of the organic residues. Based on the humification index (HI), humification ratio (HR), the CEC and their respective critical values (19 %, 28 % and 67 cmol c kg-1), to separate decomposed material from material in decomposition, the pig, cattle, poultry and quail manures and the organic compost and sludge sewage 1 were classified as not completely decomposed residues. Labile-C was not appropriate to predict the bioavailability of the studied residues. The concentration of low molecular weight organic acids was higher in poultry and quail manure.

The influence of nitric-perchloric, aqua regia, dry ashing and microwave digestion methods, in combination with 100 and 200 mg of sample, on the characterization and recovery of nutrients in samples of sludge sewage, poultry, swine, quail and bovine manures, organic compost, organic substrate and humic material were studied. Nitric-perchloric digestion with 200 mg samples recovered the higher nutrient contents. The nitric-perchloric method recovered also low levels of K. Dry ashing caused S volatilization and microwave digestion produced dark color extracts and this impaired S determination. Aqua regia recovered the lowest contents of nutrients in the organic residues evaluated.

A movimentação dos produtos da dissolução do calcário e a correção da acidez podem ser influenciadas pelo manejo da calagem e pela quantidade e qualidade da matéria orgânica presente no solo. Avaliou-se a correção da acidez de acordo com a aplicação de calcário superficial ou incorporado nas profundidades de 0-10, 0-20 cm, em um Latossolo Vermelho distroférrico (LVdf) sob diferentes coberturas vegetais anteriores (mata, eucalipto, pinus e pastagem). O estudo foi realizado de novembro de 2002 a janeiro de 2003 no Departamento de Ciência do Solo da UFLA, sendo avaliados, depois de 30 dias de reação do calcário, e antes do cultivo do algodão, os teores trocáveis de Ca2+ e Al3+, o pH e os níveis de saturação por bases (V) em amostras de solo coletadas nas profundidades de 0-5, 5-10, 10-20 e 20-40 cm. A calagem superficial causou, na camada de 0-5 cm, uma elevação do pH e V para níveis acima dos considerados adequados para o cultivo do algodoeiro, caracterizando uma calagem excessiva. Foram verificados acréscimos, em relação à área sem calagem, do pH, Ca2+ e saturação por bases em camadas de solo além das camadas de incorporação do corretivo, principalmente nas amostras de solo com maior teor de matéria orgânica, mas esses efeitos não se estenderam à camada de subsolo (20-40 cm).

Lime mobility and soil acidity correction can be influenced by liming management and the quantity and quality of soil organic matter. Acidity neutralization in function of the lime incoporation and surface liming was evaluated in a red Latosol (Oxisol) under different antecedent vegetation covers (eucalyptus, forest, pasture and pine). The study was carried out from November 2002 to January 2003 at the Soil Science Department of the Lavras Federal University. After 30 days of incubation of soils with lime, the contents of Ca2+ e Al3+, pH and base saturation levels were quantified at the 0-5, 5-10, 10-20 and 20-40 cm sample depths. At the depth of 0-5 cm, surface liming promoted an increase in pH, base saturation and Ca2+ to levels above those considered optimal for cotton growth, thus characterizing overliming. Compared to the area without liming, the levels of pH, Ca2+ and base saturation were higher in layers beneath those of lime incorporation, mainly in the samples with highest organic matter content. No such effects were verified in the subsoil layer (20- 40 cm).

Com este estudo, teve-se por objetivo avaliar os efeitos de densidades de plantio e de manejo da calagem sobre os atributos de fertilidade de Latossolo e sobre o estado nutricional e produtividade do cafeeiro (Coffea arabica L.). O estudo foi conduzido de fevereiro de 2000 a junho de 2003 na Fazenda Experimental da EPAMIG, em São Sebastião do Paraíso (MG). Os tratamentos testados consistiram da combinação de duas densidades populacionais (2.857 e 10.000 plantas ha-1) com três métodos de manejo de calagem (sem aplicação de calcário; calagem superficial e incorporação de calcário de 0 a 20 cm), além de um tratamento com aplicação de calcário (0 a 20 cm) e gesso. O solo foi amostrado nas camadas de 0 a 10, 10 a 20 e 20 a 40 cm de profundidade, em quatro épocas de amostragem, sendo realizadas as seguintes determinações analíticas: pH, Ca e Mg trocáveis, P (Mehlich-1), sulfato, nitrato e amônio, além da saturação por bases. Os métodos de manejo da calagem reduziram a acidez na camada de solo de 0 a 10 cm; contudo, somente na quarta amostragem foi verificada movimentação no perfil de solo do calcário aplicado em superfície. Os atributos de fertilidade do Latossolo não foram influenciados pelos sistemas de plantio de cafeeiro. O adensamento da lavoura resultou em um acréscimo médio na produtividade de cafeeiro de 14 e 33 sacas ha-1, respectivamente, para a 1ª e 2ª colheitas.

The objective of this work was to evaluate the effects of coffee population density and liming management practices on the fertility attributes of a Latosol, and in the nutritional status and yield of coffee (Coffea arabica L.). The experiment was carried out from February 2000 to June 2003 in the Experimental Farm of Epamig (São Sebastião do Paraíso, MG). The treatments tested consisted of the combination of two coffee population densities (2,857 and 10,000 plants ha-1) with three methods of liming management (without lime; lime incorporation at 0 to 20 cm soil layer, and surface liming). As an additional treatment, liming (0 to 20 cm) plus phosphogypsum were applied in an area with 10.000 pl ha-1. Soil samples were collected at soil depths of 0 to10, 10 to 20 and 20 to 40 cm, in four sampling times. The samples were analyzed for: pH, Ca and Mg exchangeable, P (Mehlich-1 solution), sulfate, nitrate e ammonium, and the saturation for bases. The liming management practices reduced the acidity until the soil depth of 0 to 10 cm. Transport of lime applied at soil surface was verified only at the forth sampling. The soil fertility attributes analyzed were not influenced by coffee population density. In average, the coffee yield in the higher plant density was 14 and 33 bags ha-1 higher than in the lower plant density, respectively in the first and second harvest seasons.