ABSTRACT Brazilian agriculture contributes significantly to nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) emissions, so the understanding of such emissions at the field is crucial for mitigation strategies. This study quantified the impact of N application and sheep grazing on the N2O and CH4 emissions from a subtropical Ferralsol under an integrated crop-livestock (ICL) management system. In a long-term experiment in southern Brazil, gaseous fluxes were measured during a year-long cycle of ryegrass (Lolium multiflorum) plus oats (Avena sativa) winter pasture and a summer crop of common beans (Phaseolus vulgaris). Three rates of urea-nitrogen (0, 75, and 150 kg ha-1) were applied to the winter-pasture, which was subjected to two sheep grazing levels (continuously grazed, and ungrazed). The experiment had a complete randomized block design with three replicates. Soil N2O and CH4 fluxes were measured with closed static-chambers (0.20 m high × 0.25 m in diameter). Nitrous oxide emission peaks occurred 28 days after N application and increased with N application rate. Accordingly, the cumulative N2O emissions averaged across grazed and ungrazed treatments increased from 0.45 kg ha-1 in the control soil to 1.78 and 2.10 kg ha-1 after application of 75 and 150 kg ha-1, respectively. The N2O emission factors were 1.7 and 1.1 % when the N rates were 75 and 150 kg ha-1, respectively. The cumulative average N2O emission for all N rates was 2.09 kg ha-1 in ungrazed pasture, but it was reduced by 62 % with grazing to 0.80 kg ha-1, perhaps because of a possible denitrification of N2O to N2 associated with soil compaction from trampling. Overall, fertilizer-N is an important source of N2O from soil under ICL based on sheep grazing, with emission factors consistent with the IPCC’s default of 1 % (0.3-3.0 %). Grazing reduced the emission of soil N2O, but the underlying cause of that reduction needs to be better understood.

ABSTRACT Rice yield increases in response to improvements in crop management, but the impact on greenhouse gas (GHG) emissions in the subtropical region of Southern Brazil remains unknown. A three-year field study was developed aiming to evaluate the impact that an increase in crop management levels (high and very high) has on soil methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions, as compared to the level (medium) currently adopted by farmers in Southern Brazil. Differences in crop management included seed and fertilizer rates, irrigation, and pesticide use. The effect of crop management levels on the annual partial global warming potential (pGWP = CH4 × 25 + N2O × 298) ranged from 7,547 to 17,711 kg CO2eq ha−1 and this effect was larger than on the rice grain yield (9,280 to 12,260 kg ha−1), resulting in approximately 60 % higher yield-scaled GHG with the high crop management level compared to the current level. Soil CH4 emissions accounted for 98 % of pGWP in the flooded rice season, whereas N2O prevailed during the drained non-rice season (≈65 %). Although it was impossible to relate emissions to any individual input or practice, soil CH4 emissions in the rice season were linearly related to the biomass produced by the rice crop (p<0.01) and by ryegrass in the previous non-rice season (p<0.1), both of which were possibly related to the supply of labile C for methanogenesis. A future increase in rice yield as a result of the adoption of improved crop management may require additional agricultural practices (e.g., intermittent irrigation) to offset the increased GHG emissions.

Resumo O objetivo deste trabalho foi avaliar o impacto das plantas de cobertura de inverno azevém (Lolium multiflorum) e azevém+cornichão (Lotus corniculatus), bem como da drenagem parcial do solo, nas emissões de CH4 e N2O em um Planossolo cultivado com arroz irrigado. Amostras de ar foram coletadas semanalmente com câmara estática fechada, parcialmente inserida no solo (0,05 m). Calcularam-se o potencial de aquecimento global parcial (PAGp=CH4×25+N2O×298) e o PAGp por unidade de produtividade de grãos (PAGpPG). A drenagem parcial foi estabelecida pela suspenção temporária da irrigação por períodos de 8 a 15 dias, durante três ocasiões ao longo do ciclo da cultura. O aporte de resíduos pelas plantas de cobertura intensificou os fluxos de CH4 do solo, que excederam em dez vezes a emissão acumulada do solo em pousio invernal. As emissões de N2O foram maiores com o consórcio azevém+cornichão, em comparação ao azevém e ao pousio. O cultivo de plantas de cobertura elevou o índice PAGpPG (0,35 kg de CO2eq por quilograma de arroz), comparativamente ao pousio (0,06 kg kg-1). Nos tratamentos com cobertura de inverno, as estratégias de mitigação devem focar principalmente no CH4, que foi responsável pela maior porção (80%) do PAGp. A drenagem parcial reduziu em até 50% o PAGp e apresenta grande potencial para mitigar as emissões de gases em sistemas de produção de arroz irrigado.

Abstract The objective of this work was to evaluate the effect of the winter cover crops ryegrass (Lolium multiflorum) and ryegrass+birdsfoot trefoil (Lotus corniculatus), as well as of partial soil drainage, on CH4 and N2O emissions in an Alfisol cultivated with paddy rice. Air samples were collected weekly using static closed chambers partially inserted in the soil (0.05 m). Partial global warming potential (pGWP= CH4×25+N2O×298) and yield-scaled pGWP were calculated. Partial soil drainage was established with temporal suspensions of the irrigations for periods of 8 to 15 days, during three occasions throughout the crop cycle. Biomass input by cover crop residues increased CH4 fluxes, which exceeded ten times the accumulated emissions of fallow soil. N2O emissions were higher in the ryegrass+birdsfoot trefoil treatment, compared with ryegrass and fallow. Cover crops increased yield-scaled pGWP (0.35 kg CO2eq per kilogram of rice) compared with fallow (0.06 kg kg-1). In the treatments with winter crops, mitigation strategies should focus mainly on CH4, which was responsible for the greater portion (80%) of pGWP. Partial drainage reduced pGWP up to 50% and has great potential for mitigating gas emissions in subtropical irrigated rice production systems.

Após a mineração do carvão a céu aberto, os solos são construídos e normalmente apresentam baixos estoques e baixa qualidade de matéria orgânica (MO), sendo importante usar espécies para revegetação e recuperação da área degradada. Este trabalho objetivou avaliar a distribuição do carbono (C) em frações químicas, bem como as características químicas e o grau de humificação da MO em um solo construído após a mineração de carvão e sob cultivo de gramíneas perenes. O experimento foi instalado em 2003, com os seguintes tratamentos: Hemarthria altissima (T1), Paspalum notatum (T2), Cynodon dactilon (T3), Urochloa brizantha (T4), solo construído descoberto (T5) e solo natural (T6). Em 2009, amostras de solo foram coletadas na camada de 0,00-0,03 m e determinados os estoques de C orgânico total (COT) e de C nas frações químicas: extrato ácido (CHCl), ácido fúlvico (CAF), ácido húmico (CAH) e humina (CHU). A fração ácido húmico (AH) foi caracterizada por espectroscopia de infravermelho, e calculou-se o índice de fluorescência induzida a laser (IFIL) da MO. Após seis anos, somente foram encontradas diferenças nos estoques de C da fração AH, sendo os maiores estoques observados em T1 (0,89 Mg ha-1) e T4 (1,06 Mg ha-1). Os espectros de infravermelho do AH de T1, T2 e T4 foram semelhantes ao do T6, com maior contribuição de compostos orgânicos alifáticos, em comparação ao AH dos demais tratamentos. Nesse sentido, o IFIL decresceu na sequência T5>T3>T4>T1>T2>T6, o que indica maior humificação da MO em T3 e T5 e MO mais lábil nos demais tratamentos. Sendo assim, os tratamentos T1 e T4 evidenciaram maior potencial para recuperação da qualidade da MO do solo construído.

After open coal mining, soils are “constructed”, which usually contain low levels and quality of organic matter (OM). Therefore, the use of plant species for revegetation and reclamation of degraded areas is essential. This study evaluated the distribution of carbon (C) in the chemical fractions as well as the chemical characteristics and humification degree of OM in a soil constructed after coal mining under cultivation of perennial grasses. The experiment was established in 2003 with the following treatments: Hemarthria altissima (T1), Paspalum notatum (T2), Cynodon dactilon (T3), Urochloa brizantha (T4), bare constructed soil (T5), and natural soil (T6). In 2009, soil samples were collected from the 0.00-0.03 m layer and the total organic carbon stock (TOC) and C stock in the chemical fractions: acid extract (CHCl), fulvic acid (CFA), humic acid (CHA), and humin (CHU) were determined. The humic acid (HA) fraction was characterized by infrared spectroscopy and the laser-induced fluorescence index (ILIF) of OM was also calculated. After six years, differences were only observed in the CHA stocks, which were highest in T1 (0.89 Mg ha-1) and T4 (1.06 Mg ha-1). The infrared spectra of HA in T1, T2 and T4 were similar to T6, with greater contribution of aliphatic organic compounds than in the other treatments. In this way, ILIF decreased in the sequence T5>T3>T4>T1>T2>T6, indicating higher OM humification in T3 and T5 and more labile OM in the other treatments. Consequently, the potential of OM quality recovery in the constructed soil was greatest in treatments T1 and T4.

Nos solos de várzea da região Sul do Rio Grande do Sul, onde um milhão de hectares são cultivados com arroz irrigado por alagamento em diferentes sistemas de manejo, a influência da condição de má drenagem e alternância entre ciclos de oxidação e redução sobre o conteúdo de C orgânico do solo (COS) é pouco conhecida. Este estudo foi realizado em um experimento de longa duração (21 anos), localizado no município do Capão do Leão, RS, com o objetivo de avaliar o efeito de sistemas de manejo do arroz irrigado sobre os estoques de COS e das frações físicas da matéria orgânica em um Planossolo Háplico. O fracionamento físico da matéria orgânica do solo foi realizado pelo método densimétrico, em amostras de solo coletadas das camadas de 0-0,025; 0,025-0,05; 0,05-0,10; e 0,10-0,20 m, nos tratamentos: ST- Sistema tradicional de cultivo um ano com arroz (preparo convencional) e dois anos com pousio; APC- Sistema de cultivo contínuo de arroz (preparo convencional) e controle de invasoras com herbicida; APD- Sucessão azevém/arroz (plantio direto); e SN- Solo mantido com vegetação natural (campo nativo). O sistema com arroz/azevém em plantio direto APD foi mais eficiente em manter os estoques de COS e da fração leve livre até 0,05 m de profundidade, em comparação com o ST e APC. A fração leve oclusa não se mostrou sensível aos efeitos dos diferentes sistemas de manejo, sugerindo para o solo de várzea baixa eficiência da proteção física da MOS por oclusão em agregados, o que pode estar relacionado aos efeitos da condição de má drenagem no processo de agregação. A umidade excessiva no inverno e o alagamento durante os cultivos de arroz estariam proporcionando agregação transitória entre cultivos. A quantidade de CO nesse Planossolo, tanto entre os sistemas de cultivo quanto em profundidade, deve-se principalmente à fração pesada, que é a fração mais estável e mais difícil de ser degradada.

On paddy soils in the southern region of the State of Rio Grande do Sul, Brazil, irrigated (flooded) rice is grown on 1´000´000 ha, under different soil management systems. The influence of poor drainage and alternating oxidation and reduction cycles on the content of soil organic carbon is still poorly understood. This long-term study (21 years) was conducted in Capão do Leão, RS, Brazil, to evaluate the effect of irrigated rice management systems on soil organic carbon stocks and physical fractions of the organic matter (OM) of an Albaqualf soil. OM in soil samples from the layers 0-0.025; 0.025-0.05; 0.05-0.10 and 0.10-0.20 m was physically fractionated by densimetry in the treatments: TC- traditional cultivation system: one year rice (conventional tillage) and two years fallow; RCV- continuous cultivation of rice (conventional tillage) and herbicide weed control; RNT-succession ryegrass/rice in no tillage and SN- native pasture. In the system of rice in no tillage (RNT), after 21 years, the values of total organic carbon and the free light fraction stock were better preserved, to a depth of 0.05 m, compared to the systems with rice under conventional tillage TC and RCV. The occluded light fraction was not sensitive to detect the effects of different tillage systems, indicating soil a low efficiency of physical protection of OM by aggregate occlusion in the lowland soil, which may be related to the poor soil drainage in the aggregation process. Excessive moisture in the winter and flooding of the rice crops may induce a transitory aggregation between crops. The amount of organic carbon in this Albaqualf soil, between cultivation systems as well as in depth, consisted mainly of the more stable heavy fraction that is more resistant to degradation.

As substâncias húmicas podem influenciar direta ou indiretamente o metabolismo das plantas, alterando assim o seu crescimento. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de substâncias húmicas (SH) no crescimento e na concentração de nutrientes em plantas de feijão (Phaseolus vulgaris, L.) e nos parâmetros cinéticos de absorção de K. O experimento foi realizado em bancada de laboratório, com luz artificial. As plantas cresceram em vasos contendo solução nutritiva completa acrescida de cinco doses (0; 2,5; 5; 10; e 20 mg L-1 de C) de SH solúveis em meio alcalino (ácido húmico + ácido fúlvico), extraídos de amostra de carvão mineral da mina de Candiota, RS, da Companhia Riograndense de Mineração, num delineamento completamente ao acaso, com três repetições. Aos 28 dias de cultivo, foram avaliados parâmetros cinéticos de absorção de K, massa da parte aérea e da raiz seca, teores de N, P, K, Ca e Mg no tecido da parte área e as características morfológicas de raízes (comprimento, área e raio). Os resultados evidenciaram que a adição de SH extraída de carvão mineral estimulou o crescimento do feijão e afetou a cinética de absorção de K. A produção de massa da parte aérea seca das plantas mostrou resposta quadrática à adição de substâncias húmicas, atingindo valor máximo na dose equivalente a 11 mg L-1 de C, enquanto a massa das raízes secas aumentou linearmente em até 41 %, com as doses testadas. As características morfológicas de raiz e o estado nutricional das plantas não foram significativamente afetados pelas SH. Os parâmetros cinéticos de absorção de K, Imáx, Cmín e Km, decresceram linearmente com o aumento das doses de SH, causando redução na taxa de absorção de K nas concentrações deste nutriente na solução superiores a 10 μmol L-1.

Humic substances can influence plant metabolism direct or indirectly, thus modifying its growth. The objective of this study was to evaluate the effect of humic-like substances (HS) on kinetics of K uptake, nutrient concentration and growth of common bean (Phaseolus vulgaris, L.). The experiment was performed on a laboratory bench with controlled light conditions. Plants were grown in pots with complete nutrient solution enriched with five levels (0; 2.5; 5; 10 and 20 mg L-1 of C) of alkaline soluble humic-like substances (fulvic and humic acids), extracted from mineral charcoal samples from the Candiota mine (Companhia Riograndense de Mineração), in the State of Rio Grande do Sul, Brazil. The experiment was set up in a randomized design, with three replications. After 28 days of plant growth, kinetics parameters of K uptake, shoot and root dry weight, shoot tissue concentration of nutrients (N, P, K, Ca and Mg) and root morphological parameters (length, area and radius) were evaluated. The results showed that the application of charcoal-extracted humic substances stimulated common bean growth and influenced the kinetics parameters of K uptake. A quadratic response to HS was observed in shoot dry weight, which reached the highest values at 11 mg L-1 of C, whereas root dry mass increased linearly up to 41 % along the increasing HS concentration in solution. Root morphological parameters and nutritional conditions of plants were not significantly affected by HS. The kinetic parameters of K uptake, Imax, Cmin and Km, decreased with increasing HS concentration, causing reduction in K influx when the K concentration in solution exceeded 10 μmol L-1.

A utilização de resíduos orgânicos, como fertilizantes e condicionadores de solo, requer sua maturação e monitoramento da qualidade do material resultante. A vermicompostagem é uma técnica que, ao longo do processo, elimina os potenciais efeitos adversos dos resíduos à saúde humana e ao solo. A avaliação das substâncias húmicas (SH) nos produtos finais quanto à quantidade e à qualidade permite inferir sobre o grau de estabilidade e maturidade dos vermicompostos. Este trabalho objetivou avaliar a qualidade de seis vermicompostos das seguintes matérias-primas: esterco bovino (EB), esterco ovino (EO), esterco suíno (ES), esterco de codorna (EC), borra de café (BC) e de erva-mate (BE) com respeito ao teor de ácidos húmicos (AH) e de ácidos fúlvicos (AF) e às suas características químicas, após 70 dias de compostagem. O fracionamento químico da matéria orgânica foi realizado com base na solubilidade em meio básico e ácido e a distribuição de cada fração calculada como percentual do C total. Foram calculados os índices de humificação: percentual de AH e razão AH/AF. Nos AH e AF purificados, determinaram-se a composição elementar (CHNO), a composição química por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e o índice de aromaticidade I1630/I2920. O teor de substâncias húmicas (AH+AF) decresceu na seqüência: BC > EO≈ BE≈ EB > ES > EC, tendo sua composição química também diferido entre os vermicompostos. O grau de maturidade foi superior nos vermicompostos de resíduos de origem vegetal (borra de café e de erva-mate). Os AH desses dois vermicompostos apresentaram menor proporção de grupos oxigenados e menor caráter aromático.

The use of organic residues as fertilizers and soil conditioners requires their maturation and the quality monitoring of the final product. Vermicomposting is a technique which, along with the composting process, eliminates the potential harmful effect of manure residues to human health and soil. The stability and maturity degrees of a given vermicompost are usually inferred from the quantity and quality of the humic substances in the resulting compost. This study aimed to evaluate the quality and maturity of vermicomposts from six different residues: cattle manure (CM), sheep manure (SM), pig manure (PM), quail manure (QM), coffee dregs (CD) and mate-tee dregs (MD), by determining the content of humic substances (humic, HA, and fulvic acids (FA) and their chemical composition, after 70 days of composting. The humic substances were chemically fractionated according to their solubility in basic and acidic medium. The distribution of total C in the different humic fractions was determined, and the humification indices HA percentage and HA/FA ratio were calculated. The elemental composition (CHNO) and chemical composition by infrared spectroscopy (IRSP) were determined in the purified HA and FA. An aromaticity index (I1(630)/I2920) was calculated based on the IRSP spectra. The vermicomposts differed in humic substance content (FA+HA), which decreased in the order CD > SM ≈ MD ≈ CM > PM > QM. The maturity degree was greater in the vermicomposts of vegetal residues (coffee and mate-tee dregs). The HA showed that the proportion of O containing functional groups and the aromatic degree were lowest in these two vermicomposts.

Este trabalho teve por objetivo avaliar e comparar os teores e as características químicas das substâncias húmicas (SHs) de um Planossolo háplico submetido a diferentes sistemas de cultivos de arroz. Amostras de solo foram coletadas em um experimento de longa duração (19 anos) nas profundidades de 0-0,025, 0,025-0,05, 0,05-0,20m e no topo do horizonte B. Os tratamentos avaliados foram: APC-Sistema de cultivo contínuo de arroz (preparo convencional) e controle de invasoras com herbicida, APD-Sucessão de azevém x arroz sob plantio direto e SN-Solo mantido em condições naturais (pastagem nativa). As SHs e a fração não-húmica (NH) foram obtidas por meio de fracionamento químico. O teor de carbono do solo e na forma de SHs e NH foram determinados, respectivamente, pelos métodos Walkley-Black e espectrofotométrico. As características químicas e moleculares das SHs foram avaliadas por espectroscopias de infravermelho e UV/Vis e por análise elementar. Em comparação ao solo natural, o sistema APD preservou os teores de carbono orgânico total e de todas as frações húmicas, enquanto que o sistema APC provocou perdas de carbono orgânico total e de todas as frações húmicas nas camadas superficiais (<0,05m). A proporção de ácidos fúlvicos em relação ao carbono total aumentou em profundidade, sugerindo mobilização desta fração no perfil. O sistema de manejo afetou a composição da matéria orgânica principalmente na camada de 0 a 0,025m, ocorrendo SHs de menor grau de decomposição, mais polares e contendo menor proporção de estruturas alifáticas que no sistema APD.

The objective of this study was to evaluate and compare the content and chemical characteristics of humic substances (SHs) of an Albaqualf under different soil management systems. Soil samples were collected in a long-term field experiment (19 years) from the 0-0.025; 0.025-0.05 and 0.05-0.20m layers and from the top of the B horizon. The following treatments were evaluated: APC-continuous rice crop system under conventional tillage and weed control with herbicides; APD-no-tillage system with rye-grass in the winter and rice in the summer, and SN-soil under natural condition with native grassland. The SHs and the non-humic fraction (NH) were obtained by chemical fractioning. The content of total soil carbon and those occurring as SHs and NH were determined by the Walkley-Black and spectrophotometric methods, respectively. To determine the chemical and molecular characteristics of the SHs, UV-visible and infrared spectroscopy techniques and elementar analyses were employed. In comparison to the soil under natural condition (SN), the no-tillage system (APD) maintained total soil organic carbon concentrations as well as the content of SHs. The conventional tillage reduced soil total organic carbon and the content of SH in the upper layers (<0.05m). The proportion of fulvic acid in relation to the total soil organic carbon increased with soil depth, suggesting the mobilization of this fraction along the profile. The soil management system affected the composition of the organic matter mainly in the 0 to 0.025m layer, where the SH showed a lower decomposition and higher polaricity degree and contained smaller proportion of aliphatic structures than SH in the APD system.